3. Junction Tranzistor cu efect de câmp (JFET)

Junction Tranzistor cu efect de câmp (JFET)

MOSFET-ul are un număr de avantaje față de tranzistorul cu efect de câmp joncțiune (JFET). În special, rezistența de intrare a MOSFET este mai mare decât cea a JFET. Din acest motiv, MOSFET este selectat în favoarea JFET pentru majoritatea aplicațiilor. Cu toate acestea, JFET este încă folosit în situații limitate, în special pentru aplicații analogice.

Am văzut că amplificarea MOSFET-urilor necesită o tensiune non-zero poarta pentru a forma un canal pentru conducție. Nu se poate trece curentul majoritar-purtător între sursă și canalul de scurgere fără această tensiune a porții aplicate. În schimb, JFET controlează conductanța curentului majoritar-purtător într-un canal existent între două contacte ohmice. Aceasta face acest lucru prin modificarea capacității echivalente a dispozitivului.

Deși abordăm JFET-urile fără a folosi rezultatele obținute anterior pentru MOSFET-uri, vom vedea multe asemănări în funcționarea celor două tipuri de dispozitive. Aceste asemănări sunt rezumate în secțiunea 6: „Compararea MOSFET cu JFET”.

O schemă pentru structura fizică a JFET este prezentată în Figura 13. La fel ca BJT, JFET este un dispozitiv cu trei terminale. Are practic numai una pn joncțiune între poarta și canalul mai degrabă decât două ca în BJT (deși se pare că există două pn joncțiunile prezentate în figura 13, acestea sunt conectate în paralel prin cablarea împreună a terminalelor porții. Astfel, acestea pot fi tratate ca o singură joncțiune).

nJFET canal, prezentat în figura 14 (a), este construit utilizând o bandă de n- tip de material cu două pmateriale de tip difuzate în bandă, câte una pe fiecare parte. p-channel JFET are o bandă de p- tip de material cu două nmateriale de tip difuzate în bandă, așa cum se arată în figura 13 (b). Figura 13 prezintă, de asemenea, simbolurile circuitelor.

Pentru a obține o perspectivă asupra funcționării JFET, permiteți-ne să conectăm n-canal JFET la un circuit extern așa cum se arată în figura 14 (a). O tensiune de alimentare pozitivă, V_DD, este aplicat la scurgere (aceasta este analogă cu V_CC tensiune de alimentare pentru un BJT) și sursa este atașat la comun (la sol). O tensiune de alimentare cu poarta, V_GG, este aplicată la poarta (aceasta este analogă cu V_BB pentru BJT).

Figura 13 - Structura fizică a JFET

V_DD asigură o tensiune sursă de scurgere, v_DS, care cauzează un curent de scurgere, i_D, să curgă de la scurgere la sursă. Deoarece joncțiunea gate-sursă este inversă, rezultă curentul zero. Curentul de scurgere, i_D, care este egal cu curentul sursă, există în canalul înconjurat de p- poarta de tip. Tensiunea de la sursa la sursa, v_GS, care este egal cu, creează o epuizării în canal, care reduce lățimea canalului. Aceasta, la rândul său, mărește rezistența dintre scurgere și sursă.

Figura 14 - JFET cu canal n conectat la circuite externe

Considerăm operațiunea JFET cu v_GS = 0, așa cum se arată în figura 14 (b). Curentul de scurgere, i_D, prin n- canalul de la scurgere la sursă provoacă o cădere de tensiune de-a lungul canalului, cu potențialul mai mare la joncțiunea de scurgere-ieșire. Această tensiune pozitivă la joncțiunea de evacuare a porții inversează pn joncțiune și produce o regiune de epuizare, după cum arată zona întunecată întunecată din Figura 14 (b). Când creștem v_DS, curentul de scurgere, i_D, crește, de asemenea, așa cum se arată în Figura 15.

Această acțiune are ca rezultat o regiune de epuizare mai mare și o rezistență crescută a canalului dintre scurgere și sursă. La fel de v_DS este mărită în continuare, se ajunge la un punct în care regiunea de epuizare taie întreg canalul la marginea de scurgere, iar curentul de scurgere atinge punctul de saturație. Dacă creștem v_DS dincolo de acest punct, i_D rămâne relativ constantă. Valoarea curentului de scurgere saturat cu V_GS = 0 este un parametru important. Este sursa de saturație a sursei de scurgere, I_DSS. Am găsit-o KV_T² pentru modul de epuizare MOSFET. Așa cum se poate vedea din Figura 15, crescând v_DS dincolo de acest așa-numit canal pinch-off punct (-V_P, I_DSS) provoacă o ușoară creștere în i_D, Şi i_D-v_DS curba caracteristică devine aproape netedă (adică, i_D rămâne relativ constantă v_DS este mai mare). Reamintește asta V_T (desemnată acum V_P) este negativ pentru un n-channel. Funcționarea dincolo de punctul de împingere (în regiunea de saturație) se obține atunci când tensiunea de scurgere, V_DS, este mai mare decât -V_P (vezi Figura 15). De exemplu, să spunem V_P = -4V, aceasta înseamnă că tensiunea de scurgere, v_DS, trebuie să fie mai mare sau egal cu - (- 4V) pentru ca JFET să rămână în regiunea de saturație (normală).

Această descriere indică faptul că JFET este un dispozitiv de tipul de epuizare. Ne așteptăm ca caracteristicile sale să fie similare cu cele ale MOSFET-urilor de epuizare. Cu toate acestea, există o excepție importantă: În timp ce este posibil să se opereze un MOSFET de tip depleție în modul de îmbunătățire (prin aplicarea unei pozitive v_GS dacă este dispozitivul n-canal) acest lucru nu este practic în dispozitivul de tip JFET. În practică, maximul v_GS este limitat la aproximativ 0.3V din moment ce pn-juncția rămâne, în esență, întreruptă cu această mică tensiune înainte.

Figura 15 - i_D contra v_DS caracteristic pentru n-channel JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET variația tensiunii de la poartă la sursă

În secțiunea anterioară, am dezvoltat i_D-v_DS curba caracteristică cu V_GS = 0. În această secțiune, considerăm completă i_D-v_DS caracteristici pentru diferite valori ale v_GS. Rețineți că în cazul BJT, curbele caracteristice (i_C-v_CE) avea i_B ca parametru. FET este un dispozitiv cu tensiune controlată v_GS face controlul. Figura 16 arată i_D-v_DS curbe caracteristice pentru ambele n-canal și p-channel JFET.

Figura 16-i_D-v_DS curbe caracteristice pentru JFET

Pe măsură ce crește (v_GS este mai negativ pentru o n-canal și mai pozitiv pentru o p-canal) se formează regiunea de epuizare și se realizează împingerea pentru valori mai mici de i_D. Prin urmare, pentru nJFET din Figura 16 (a), maxim i_D reduce de la I_DSS as v_GS este mai negativ. Dacă v_GS este în continuare redus (mai negativ), o valoare de v_GS este atins după aceea i_D va fi zero indiferent de valoarea lui v_DS. Această valoare a v_GS se numește V_{GS (OFF)}, Sau spargerea tensiunii (V_p). Valoarea a V_p este negativ pentru o n-channel JFET și pozitiv pentru a p-channel JFET. V_p poate fi comparat cu V_T pentru modul de epuizare MOSFET.

3.2 JFET Transfer Caracteristici

Caracteristica de transfer este un grafic al curentului de scurgere, i_D, în funcție de tensiunea de scurgere la sursă, v_DS, Cu v_GS egală cu un set de tensiuni constante (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V în Figura 16 (a)). Caracteristica de transfer este aproape independentă de valoarea lui v_DS deoarece după ce JFET a atins praful, i_D rămâne relativ constantă pentru creșterea valorilor v_DS. Acest lucru poate fi văzut din i_D-v_DS curbele din figura 16, unde fiecare curbă devine aproximativ netedă pentru valorile de v_DS>V_p.

În Figura 17, vom arăta caracteristicile de transfer și i_D-v_DS caracteristici pentru un n-channel JFET. Noi le compunem cu o comună i_D axă pentru a arăta cum să obțineți una de cealaltă. Caracteristicile de transfer pot fi obținute dintr - o extensie a i_D-v_DS curbe așa cum se arată în liniile punctate din Figura 17. Cea mai utilă metodă de determinare a caracteristicii de transfer în regiunea de saturație este cu următoarea relație (ecuația Shockley):

(16)

Prin urmare, trebuie doar să știm I_DSS și V_p pentru a determina întreaga caracteristică. Fișele tehnice ale producătorilor oferă adesea acești doi parametri, astfel încât caracteristica de transfer poate fi construită. V_p în foaia de specificații a producătorului este prezentat ca V_{GS (OFF)}. Rețineți că i_D saturează (adică devine constant) ca v_DS depășește tensiunea necesară pentru ca canalul să se prindă. Aceasta poate fi exprimată ca o ecuație pentru v_{DS, sat} pentru fiecare curbă, după cum urmează:

(17)

As v_GS devine mai negativ, ciocnirea are loc la valori mai mici de v_DS iar curentul de saturație devine mai mic. Regiunea utilă pentru operarea liniară este mai presus de decuplare și sub tensiunea de defalcare. În această regiune, i_D este saturată și valoarea sa depinde de v_GS, conform Ecuației (16) sau caracteristica de transfer.

Figura 17 - Curbele de transfer JFET

Transferul și i_D-v_DS curbele caracteristice pentru JFET, care sunt prezentate în Figura 17, diferă de curbele corespunzătoare pentru un BJT. Curbele BJT pot fi reprezentate ca distanțe uniforme pentru etapele uniforme ale curentului de bază datorită relației liniare dintre i_C și i_B. JFET și MOSFET nu au curent analogic cu un curent de bază deoarece curenții de poartă sunt zero. Prin urmare, suntem obligați să arătăm familia de curbe i_D Raport v_DS, iar relațiile sunt foarte neliniare.

A doua diferență se referă la dimensiunea și forma regiunii ohmice a curbelor caracteristice. Amintiți-vă că, în utilizarea BJTs, evităm funcționarea neliniară, evitând valoarea 5% mai mică a valorilor v_CE (de ex saturație). Vom vedea că lățimea regiunii ohmice pentru JFET este o funcție a tensiunii gate-sursă. Regiunea ohmică este destul de liniară până când genunchiul apare aproape de oprire. Această regiune este numită ohmic pentru că atunci când tranzistorul este folosit în această regiune, se comportă ca o rezistență ohmică a cărei valoare este determinată de valoarea lui v_GS. Pe măsură ce magnitudinea tensiunii de la poartă la sursă scade, lățimea regiunii ohmice crește. Observăm, de asemenea, din Figura 17 că tensiunea de avarie este o funcție a tensiunii de la poartă la sursă. De fapt, pentru a obține o amplificare a semnalului rezonabilă, trebuie să utilizăm doar un segment relativ mic al acestor curbe - aria de funcționare liniară se află în regiunea activă.

As v_DS crește de la zero, are loc un punct de spargere pe fiecare curbă dincolo de care curentul de scurgere crește foarte puțin v_DS continuă să crească. La această valoare a tensiunii de la sursa la sursă, apare apăsarea. Valorile de blocare sunt etichetate în Figura 17 și sunt conectate cu o curbă punctată care separă regiunea ohmică de regiunea activă. La fel de v_DS continuă să crească dincolo de spargere, se atinge un punct în care tensiunea dintre sursă și sursă devine atât de mare încât avalanșă defalcare are loc. (Acest fenomen apare și în diode și în BJT). La punctul de defalcare, i_D crește brusc cu o creștere neglijabilă în v_DS. Această defalcare are loc la capătul de scurgere al joncțiunii canalului de poartă. Prin urmare, atunci când tensiunea de scurgere, v_DG, depășește tensiunea de defect (BV_GDS pentru pn joncțiune), are loc avalanșă [pentru v_GS = 0 V]. În acest moment, i_D-v_DS caracteristica prezintă forma ciudată prezentată în partea dreaptă a Figura 17.

Regiunea dintre distrugerea tensiunii și avalanșă se numește regiune activă, regiune de operare a amplificatorului, regiune de saturație, Sau pinch-off regiune. Regiunea ohmică (înainte de decupare) este denumită de obicei regiune triodă, dar uneori se numește tensiune reglată. JFET funcționează în regiunea ohmică atât atunci când este dorită o rezistență variabilă, cât și în aplicațiile de comutare.

Tensiunea de defalcare este o funcție de v_GS precum și v_DS. Deoarece mărimea tensiunii dintre poartă și sursă este mărită (mai negativă pentru n-canal și mai pozitiv pentru p-canal), tensiunea de defalcare scade (a se vedea figura 17). Cu v_GS = V_p, curentul de scurgere este zero (cu excepția unui mic curent de scurgere) și cu v_GS = 0, curentul de scurgere saturate la o valoare,

(18)

I_DSS este saturația curentului de scurgere la sursă.

Între prinderea și defectarea, curentul de scurgere este saturat și nu se schimbă considerabil în funcție de v_DS. După trecerea JFET a punctului de operare prin ciupire, valoarea lui i_D pot fi obținute din curbele caracteristice sau din ecuație

(19)

O versiune mai exactă a acestei ecuații (luând în considerare panta ușoară a curbelor caracteristice) este următoarea:

(20)

λ este analog cu λ pentru MOSFET-uri și pentru 1 /V_A pentru BJT. De cand λ este mic, presupunem asta . Aceasta justifică omiterea celui de-al doilea factor în ecuație și folosirea aproximării pentru biasing și analiza semnalului mare.

Scurgerea curentului de saturație la sursă, I_DSS, este o funcție a temperaturii. Efectele temperaturii asupra V_p nu sunt mari. In orice caz, I_DSS scade cu creșterea temperaturii, scăderea fiind la fel de mult cu 25% pentru un 100^o creșterea temperaturii. Chiar și variații mai mari apar în V_p și I_DSS datorită unor mici variații ale procesului de fabricație. Acest lucru poate fi văzut prin vizualizarea Anexei pentru 2N3822 unde este maximul I_DSS este 10 mA iar valoarea minimă este 2 mA.

Curenții și tensiunile din această secțiune sunt prezentate pentru o n-channel JFET. Valorile pentru a p-channel JFET sunt inversa celor oferite pentru n-canal.

Model 3.3 JFET Small-Signal ac

Un model de semnal mic JFET poate fi derivat urmând aceleași proceduri utilizate pentru MOSFET. Modelul se bazează pe relația dintre Ecuație (20). Dacă luăm în considerare numai ac componenta a tensiunilor și a curenților, avem

(21)

Parametrii din Ecuația (21) sunt dat de derivații parțiali,

(22)

Modelul rezultat este prezentat în Figura 18. Rețineți că modelul este identic cu modelul MOSFET derivat anterior, cu excepția faptului că valorile lui g_m și r_o se calculează folosind formule diferite. De fapt, formulele sunt identice dacă V_p este înlocuit V_T.

Figura 18 - Modelul JFET cu semnal mic ac

Pentru a proiecta un amplificator JFET, punctul Q pentru dc curentul de bias poate fi determinat fie grafic, fie prin utilizarea analizei circuitului, presupunând modul de deconectare a tranzistorului. dc curentul de bias la punctul Q ar trebui să se situeze între 30% și 70% din I_DSS. Aceasta localizează punctul Q în cea mai liniară regiune a curbelor caracteristice.

Relația dintre i_D și v_GS pot fi reprezentate pe un grafic fără dimensiuni (adică, o curbă normalizată) așa cum se arată în Figura 20.

Axa verticală a acestui grafic este i_D/I_DSS iar axa orizontală este v_GS/V_p. Panta curbei este g_m.

O procedură rezonabilă pentru localizarea valorii de repaus în apropierea centrului regiunii de operare liniare este selectarea și. Rețineți din Figura 6.20 că acesta este aproape de punctul mediu al curbei. Apoi, selectăm. Aceasta oferă o gamă largă de valori pentru v_ds care păstrează tranzistorul în modul de oprire.

Figura 20 -i_D/I_DSS contra v_GS/V_p

Putem găsi transconductanța la punctul Q fie din panta curbei din Figura 20, fie prin utilizarea Ecuației (22). Dacă folosim această procedură, parametrul de transconductanță este dat de,

(23)

Amintiți-vă că această valoare a g_m depinde de presupunerea că I_D este setată la jumătate I_DSS și V_GS . 0.3V_p. Aceste valori reprezintă, de obicei, un bun punct de plecare pentru setarea valorilor în așteptare pentru JFET.

PREVIOUS- 2. Semiconductori metalici-oxid FET (MOSFET)

NEXT- 4. Configurațiile amplificatorului FET și biasing