3. Junction Field-effect Transistor (JFET)

Junction Field-effect Transistor (JFET)

MOSFET har en rekke fordeler over kryssfelt-effekt-transistoren (JFET). MOSFETs inngangsresistens er spesielt høyere enn JFETs. Av denne grunn er MOSFET valgt til fordel for JFET for de fleste applikasjoner. Likevel er JFET fortsatt brukt i begrensede situasjoner, spesielt for analoge applikasjoner.

Vi har sett at ekstrautstyr MOSFETer krever en nullspenning som ikke er null, for å danne en kanal for ledning. Ingen flertalsbærerstrøm kan strømme mellom kilden og avløpet uten denne påførte portspenningen. I kontrast styrer JFET konduktansen av majoritetsbærerstrømmen i en eksisterende kanal mellom to ohmiske kontakter. Det gjør dette ved å variere tilsvarende kapasitans av enheten.

Selv om vi nærmer oss JFET uten å bruke resultatene som er avledet tidligere for MOSFET, vil vi se mange likheter i driften av de to typer enheter. Disse likhetene er oppsummert i seksjon 6: "Sammenligning av MOSFET til JFET".

Et skjema for den fysiske strukturen til JFET er vist i Figur 13. Som BJT er JFET en tre terminal enhet. Den har i utgangspunktet bare en pn krysset mellom porten og kanalen i stedet for to som i BJT (selv om det synes å være to pn kryssinger vist i figur 13, disse kobles parallelt ved å koble portterminalene sammen. De kan dermed bli behandlet som en enkelt veikryss).

De nkanalen JFET, vist i figur 14 (a), er konstruert ved hjelp av en strimmel av n-type materiale med to p-type materialer diffusert i stripen, en på hver side. De p-kanalen JFET har en stripe av p-type materiale med to n-type materialer diffusert i stripen, som vist i figur 13 (b). Figur 13 viser også kretssymbolene.

For å få innsikt i driften av JFET, la oss koble til n-kanal JFET til en ekstern krets som vist i Figur 14 (a). En positiv forsyningsspenning, V_DD, brukes på avløp (dette er analogt med V_CC forsyningsspenning for en BJT) og kilden er festet til felles (bakken). En spenningsforsyningsspenning, V_GG, brukes til porten (dette er analogt med V_BB for BJT).

Figur 13-Fysisk struktur av JFET

V_DD gir en drenekilde spenning, v_DS, som forårsaker en dreneringsstrøm, i_D, å flyte fra drenering til kilde. Siden gate-kildekrysset er revers-forspent, oppnås null gate-strøm. Dreneringsstrømmen, i_D, som er lik kildestrømmen, eksisterer i kanalen omgitt av p-type gate. Gate-til-kilde spenningen, v_GS, som er lik, skaper en utarmingsområde i kanalen som reduserer kanalbredden. Dette øker igjen motstanden mellom drenering og kilde.

Figur 14 - N-kanal JFET koblet til eksterne kretser

Vi vurderer JFET-operasjon med v_GS = 0, som vist i Figur 14 (b). Dreneringsstrømmen, i_D, gjennom n-kanalen fra drenering til kilde forårsaker spenningsfall langs kanalen, med det høyere potensialet ved dreneringsgateforbindelsen. Denne positive spenningen ved drain-gate-krysset reverserer forspenningen pn kryss og produserer et utarmingsområde, som vist ved det mørke skyggefulle området i figur 14 (b). Når vi øker v_DS, dreneringsstrømmen, i_D, øker også, som vist i figur 15.

Denne handlingen resulterer i et større uttømmingsområde og en økt kanalmotstand mellom drenering og kilde. Som v_DS blir ytterligere økt, når et punkt hvor avløpsområdet slår av hele kanalen ved avløpskanten og dreneringsstrømmen når sitt metningspunkt. Hvis vi øker v_DS utover dette punktet, i_D forblir relativt konstant. Verdien av mettet dreneringsstrøm med V_GS = 0 er en viktig parameter. Det er den drenerings-kildemetningsstrøm, I_DSS. Vi fant det å være KV_T² for uttømmingsmodus MOSFET. Som det fremgår av figur 15, øker v_DS utover denne såkalte kanalen pinch-off punkt (-V_P, I_DSS) forårsaker en svært liten økning i i_D, og i_D-v_DS karakteristisk kurve blir nesten flat (dvs. i_D forblir relativt konstant som v_DS økes ytterligere). Husk det V_T (nå utpekt V_P) er negativ for en nkanalenhet. Drift utover klypepunktet (i metningsområdet) oppnås når dreneringsspenningen, V_DS, er større enn -V_P (se figur 15). Som et eksempel, la oss si V_P = -4V, dette betyr at dreneringsspenningen, v_DS, må være større enn eller lik - (- 4V) for at JFET skal forbli i metningsområdet (normal drift).

Denne beskrivelsen indikerer at JFET er en enhet for avbruddstype. Vi forventer at dens egenskaper vil lignes på de av MOSFET-uttaket. Imidlertid er det et viktig unntak: Mens det er mulig å operere en MOSFET-utløpstype i forbedringsmodusen (ved å bruke en positiv v_GS hvis enheten er n-kanalen) dette er ikke praktisk i JFET-typen. I praksis er maksimumet v_GS er begrenset til omtrent 0.3V siden pn-Jevnelsen forblir hovedsakelig avskåret med denne lille fremspenningen.

Figur 15 - i_D versus v_DS karakteristisk for n-kanalen JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET Gate-To-Source Spenningsvariasjon

I den forrige delen utviklet vi i_D-v_DS karakteristisk kurve med V_GS = 0. I denne delen vurderer vi det komplette i_D-v_DS egenskaper for ulike verdier av v_GS. Merk at i tilfelle av BJT, de karakteristiske kurver (i_C-v_CE) har i_B som parameter. FET er en spenningsstyrt enhet hvor v_GS gjør det kontrollerende. Figur 16 viser i_D-v_DS karakteristiske kurver for begge n-kanalen og p-kanalen JFET.

Figur 16-i_D-v_DS karakteristiske kurver for JFET

Som øker (v_GS er mer negativ for en n-kanalen og mer positiv for a p-kanalen) uttømmingsområdet dannes, og nivelleringen oppnås for lavere verdier av i_D. Derfor for n-kanal JFET i figur 16 (a), maksimum i_D reduserer fra I_DSS as v_GS er gjort mer negativ. Hvis v_GS er ytterligere redusert (mer negativ), en verdi på v_GS nås etter som i_D vil være null uavhengig av verdien av v_DS. Denne verdien av v_GS er kalt V_{GS (AV)}eller klype spenning (V_p). Verdien av V_p er negativ for en n-kanalen JFET og positiv for a p-kanalen JFET. V_p kan sammenlignes med V_T for uttømmingsmodus MOSFET.

3.2 JFET-overføringsegenskaper

Overføringskarakteristikken er et diagram av dreneringsstrømmen, i_D, som en funksjon av drenering til kilde spenning, v_DSmed v_GS lik et sett med konstante spenninger (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V i figur 16 (a)). Overføringskarakteristikken er nesten uavhengig av verdien av v_DS siden etter at JFET når pinch-off, i_D forblir relativt konstant for økende verdier av v_DS. Dette kan ses fra i_D-v_DS kurver i figur 16, hvor hver kurve blir omtrent flat for verdier av v_DS>V_p.

I figur 17 viser vi overføringsegenskapene og i_D-v_DS egenskaper for en n-kanalen JFET. Vi plotter disse med en felles i_D akse for å vise hvordan man får tak i den ene fra den andre. Overføringsegenskapene kan hentes fra en forlengelse av i_D-v_DS kurver som vist med de stiplede linjene i figur 17. Den mest nyttige metoden for å bestemme overføringskarakteristikken i metningsområdet er med følgende forhold (Shockley-ligningen):

(16)

Derfor trenger vi bare å vite I_DSS og V_p for å bestemme hele karakteristikken. Produsentens datablad gir ofte disse to parametrene, slik at overføringskarakteristikken kan konstrueres. V_p i produsentens spesifikasjonsark er vist som V_{GS (AV)}. Noter det i_D mettet, (dvs. blir konstant) som v_DS overstiger spenningen som er nødvendig for at kanalen skal klemme seg av. Dette kan uttrykkes som en ligning for v_{DS, sat} forum hver enkelt kurve, som følger:

(17)

As v_GS blir mer negativ, skjer klyngen ved lavere verdier av v_DS og metningsstrømmen blir mindre. Den nyttige regionen for lineær drift er over klemme og under nedbrytningsspenningen. I denne regionen, i_D er mettet og verdien avhenger av v_GS, i henhold til ligning (16) eller overføringskarakteristikken.

Figur 17 - JFET-overføringsegenskapskurver

Overføringen og i_D-v_DS karakteristiske kurver for JFET, som er vist i Figur 17, avviker fra de tilsvarende kurver for en BJT. BJT-kurvene kan representeres som jevnt fordelt for ensartede trinn i grunnstrøm på grunn av det lineære forhold mellom i_C og i_B. JFET og MOSFET har ingen strøm analog med en base strøm fordi portstrømmene er null. Derfor er vi tvunget til å vise kurvenes familie i_D vs v_DS, og forholdene er svært ulinjede.

Den andre forskjellen gjelder størrelsen og formen til den ohmske regionen av karakteristiske kurver. Husk at ved å bruke BJTs, unngår vi ikke-lineær drift ved å unngå lavere 5% av verdiene for v_CE (dvs. metningsområde). Vi ser at bredden på den ohmske regionen for JFET er en funksjon av gate-to-source spenningen. Den ohmske regionen er ganske lineær inntil knæret oppstår i nærheten av klemmen. Denne regionen kalles ohmske regionen fordi når transistoren brukes i denne regionen, oppfører den seg som en ohmisk motstand hvis verdi bestemmes av verdien av v_GS. Når størrelsen på gate-til-kildespenningen synker, øker bredden på det ohmske området. Vi bemerker også fra figur 17 at sammenbruddsspenningen er en funksjon av gate-til-kildespenningen. For å oppnå rimelig lineær signalforsterkning må vi faktisk bare bruke et relativt lite segment av disse kurvene - området for lineær drift er i det aktive området.

As v_DS øker fra null, oppstår et bruddpunkt på hver kurve utover hvilken drenestrømmen øker svært lite som v_DS fortsetter å øke. Ved denne verdien av drenering-til-kilde spenning oppstår klemme. Klemningsverdiene er merket i figur 17 og er forbundet med en stiplet kurve som skiller den ohmske regionen fra det aktive området. Som v_DS fortsetter å øke utover klemme, nå kommer et punkt der spenningen mellom drenering og kilde blir så stor som snøskredssvikt inntreffer. (Dette fenomenet forekommer også i dioder og i BJTs). Ved sammenbruddspunktet, i_D øker kraftig med en ubetydelig økning i v_DS. Denne sammenbrudd skjer ved avløpssiden av portkanalforbindelsen. Derfor, når dreneringsspenningen, v_DG, overskrider spaltningsspenningen (BV_GDS for pn krysset), forekommer lavine [for v_GS = 0 V]. På dette punktet, i_D-v_DS Karakteristisk viser den spesielle formen vist på høyre side av figur 17.

Regionen mellom klype spenningen og lavin bryte ned kalles aktiv region, forsterker operasjonsområde, metningsområdeeller klemmeområde. Den ohmske regionen (før klype av) kalles vanligvis triode-regionen, men det kalles noen ganger spenningsstyrte regionen. JFET drives i det ohmske området både når en variabel motstand er ønsket og i bytteapplikasjoner.

Breakdown spenningen er en funksjon av v_GS så vel som v_DS. Som størrelsen på spenningen mellom gate og kilde er økt (mer negativ for n-kanalen og mer positiv for p-kanalen), nedbrytes spenningen (se figur 17). Med v_GS = V_p, dreneringsstrømmen er null (unntatt en liten lekkasjestrøm), og med v_GS = 0, dreneringsstrømmen mates til en verdi,

(18)

I_DSS er den metning drenering til kilde strøm.

Mellom klemme og sammenbrudd er avløpsstrømmen mettet og endres ikke betydelig som en funksjon av v_DS. Etter at JFET har passet til klype av, må verdien av i_D kan hentes fra karakteristiske kurver eller fra ligningen

(19)

En mer nøyaktig versjon av denne ligningen (med tanke på den svake helling av karakteristiske kurver) er som følger:

(20)

λ er analog med λ for MOSFET, og til 1 /V_A for BJTs. Siden λ er liten, antar vi det . Dette begrunner å utelate den andre faktoren i ligningen og bruke tilnærming for forspenning og stor signalanalyse.

Metningen avløp-til-kilde strøm, I_DSS, er en funksjon av temperatur. Effektene av temperatur på V_p er ikke store. Derimot, I_DSS faller etter hvert som temperaturen øker, nedgangen blir så mye som 25% for en 100^o økning i temperaturen. Enda større variasjoner oppstår i V_p og I_DSS på grunn av små variasjoner i produksjonsprosessen. Dette kan ses ved å se vedlegget for 2N3822 hvor maksimumet I_DSS er 10 mA og minimum er 2 mA.

Strømmene og spenningene i denne delen presenteres for en n-kanalen JFET. Verdiene for a p-kanalen JFET er omvendt av de som er gitt for n-kanal.

3.3 JFET Small Signal AC modell

En JFET-små-signalmodell kan utledes ved å følge de samme prosedyrene som brukes til MOSFET. Modellen er basert på forholdet til ligning (20). Hvis vi bare ser på ac komponent av spenninger og strømmer vi har

(21)

Parametrene i ligning (21) er gitt av de partielle derivatene,

(22)

Den resulterende modellen er vist i Figur 18. Merk at modellen er identisk med MOSFET-modellen som ble avledet tidligere, bortsett fra at verdiene for g_m og r_o beregnes ved hjelp av forskjellige formler. Egentlig er formlene identiske hvis V_p er erstattet av V_T.

Figur 18 - JFET AC-modell for lite signal

For å designe en JFET forsterker, Q-punktet for dc forspenningsstrøm kan bestemmes enten grafisk, eller ved bruk av kretsanalyse som antar klyngemodus for transistoren. De dc bias nåværende ved Q-punktet skal ligge mellom 30% og 70% av I_DSS. Dette lokaliserer Q-punktet i den mest lineære regionen av karakteristiske kurver.

Forholdet mellom i_D og v_GS kan plottes på en dimensjonsløs graf (dvs. en normalisert kurve) som vist i Figur 20.

Den vertikale aksen til denne grafen er i_D/I_DSS og den horisontale akse er v_GS/V_p. Kurvens helling er g_m.

En rimelig prosedyre for å lokalisere den hvilende verdien nær sentrum av det lineære driftsområdet er å velge og. Merk fra figur 6.20 at dette er nær midtpunktet i kurven. Deretter velger vi. Dette gir et bredt spekter av verdier for v_ds som holder transistoren i klemme-modus.

Figur 20 -i_D/I_DSS versus v_GS/V_p

Vi kan finne transkonduktansen ved Q-punktet enten fra kurvens helling i Figur 20 eller ved å bruke Equation (22). Hvis vi bruker denne prosedyren, er transconductance-parameteren gitt av,

(23)

Husk at denne verdien av g_m Avhenger av antakelsen om at I_D er satt til halvparten I_DSS og V_GS . 0.3V_p. Disse verdiene representerer vanligvis et godt utgangspunkt for å angi hvileverdiene for JFET.

TIDLIGERE - 2. Metal-oksid halvleder FET (MOSFET)

NESTE-4. FET forsterker konfigurasjoner og forspenning