3. Tranzistor s stikalnim poljem (JFET)

Tranzistor z vmesnim poljem (JFET)

MOSFET ima številne prednosti pred križnim tranzistorjem polja (JFET). Predvsem je vhodni upor MOSFET-a višji kot pri JFET-u. Zaradi tega je MOSFET izbran v korist JFET za večino aplikacij. Kljub temu se JFET še vedno uporablja v omejenih situacijah, zlasti za analogne aplikacije.

Videli smo, da MOSFETi za izboljšanje zahtevajo napetost ne-ničelnih vrat, da tvorijo kanal za prevodnost. Med tem virom in odtokom ne more teči večina nosilnega toka brez te uporabljene napetosti vrat. Nasprotno pa JFET nadzoruje prevodnost toka večinskega nosilca v obstoječem kanalu med dvema ohmskima kontaktoma. To počne s spreminjanjem enakovredne kapacitivnosti naprave.

Čeprav pristopamo k JFET-jem, ne da bi uporabili rezultate, ki so bili prej pridobljeni za MOSFET-e, bomo videli veliko podobnosti pri delovanju obeh vrst naprav. Te podobnosti so povzete v poglavju 6: "Primerjava MOSFET-a z JFET-om".

Shema za fizično strukturo JFET je prikazana na sliki 13. Tako kot BJT, je JFET tri terminalne naprave. V bistvu ima samo enega pn povezavo med vrati in kanalom namesto z dvema kot v BJT (čeprav se zdi, da sta dva pn Priključki, ki so prikazani na sliki 13, so povezani vzporedno z ožičenjem terminalov vrat. Tako jih je mogoče obravnavati kot eno samo križišče.

O n-kanal JFET, prikazan na sliki 14 (a), je izdelan z uporabo traku n-tip material z dvema p- materiali, razpršeni v trak, na vsaki strani. The p-kanal JFET ima trak p-tip material z dvema n- materiali vrste se razprši v trak, kot je prikazano na sliki 13 (b). Slika 13 prikazuje tudi simbole vezja.

Da bi dobili vpogled v delovanje JFET, povežimo n-kanal JFET na zunanji tokokrog, kot je prikazano na sliki 14 (a). Pozitivna napajalna napetost, V_DD, se nanaša na odtok (to je analogno V_CC napajalna napetost za BJT) in vir je priključen na skupno (ozemljitev). Napajalna napetost vrat, V_GG, se uporablja za vrata (to je analogno V_BB za BJT).

Slika 13-Fizična struktura JFET-a

V_DD zagotavlja napetost odvodnega vira, v_DS, ki povzroča tok izpusta, i_D, za pretok iz odtoka v vir. Ker je vhodno-izhodno križišče obratno pristransko, rezultati ničelnih vrat. Tok tekočine, i_D, ki je enak izvornemu toku, obstaja v kanalu, obkroženem z pVrata tipa. Napetost od vrat do vira, v_GS, ki je enaka, ustvari a izčrpana regija v kanalu, ki zmanjša širino kanala. To pa poveča upor med odtokom in izvorom.

Slika 14 - n-kanalni JFET, priključen na zunanje vezje

Menimo, da je operacija JFET z v_GS = 0, kot je prikazano na sliki 14 (b). Tok tekočine, i_D, skozi n-kanal iz odvoda do vira povzroči padec napetosti vzdolž kanala, z višjim potencialom na stičišču odvodnih vrat. Ta pozitivna napetost na stičišču odtočnega vratnega hoda v nasprotni smeri pn nastane območje izčrpavanja, kot je prikazano na temnem področju na sliki 14 (b). Ko se poveča v_DS, odtočni tok, i_D, prav tako se povečuje, kot je prikazano na sliki 15.

To dejanje povzroči večjo regijo izčrpavanja in povečano odpornost kanala med odtokom in izvorom. Kot v_DS še dodatno povečamo, dosežemo točko, kjer izčrpavajoča regija izreže celoten kanal na odtočnem robu in odvodni tok doseže točko nasičenja. Če se poveča v_DS čez to točko, i_D ostaja relativno stalna. Vrednost nasičenega drenažnega toka z V_GS = 0 je pomemben parameter. Je tok zasičenja odtočnega vira, I_DSS. Ugotovili smo, da je KV_T² za način izčrpanja MOSFET. Kot je razvidno iz slike 15, narašča v_DS preko tega tako imenovanega kanala ščipanje točka (-V_P, I_DSS) povzroča zelo rahlo povečanje. \ t i_DIn i_D-v_DS značilna krivulja postane skoraj ravna (tj. i_D ostaja razmeroma stalna kot. \ t v_DS se še poveča). Spomnimo se tega V_T (zdaj določen V_P) je negativna za n-kanalna naprava. Delovanje nad točko iztoka (v območju nasičenja) se doseže, ko odvodna napetost, V_DS, je večji od -V_P (glej sliko 15). Kot primer recimo V_P = -4V, to pomeni, da odvodna napetost, v_DS, mora biti večji ali enak - (- 4V), da JFET ostane v območju nasičenosti (normalno delovanje).

Ta opis kaže, da je JFET naprava z izločenim tipom. Pričakujemo, da bodo njegove značilnosti podobne lastnostim izpadov MOSFET. Vendar pa obstaja pomembna izjema: Čeprav je možno MOSFET za izčrpavanje uporabiti v izboljšavnem načinu (z uporabo pozitivnega v_GS če je naprava n-kanal) to ni praktično v napravi tipa JFET. V praksi največ v_GS je omejena na približno 0.3V od pns to majhno napetostjo naprej ostane v bistvu izklop.

Slika 15 –– i_D v primerjavi z v_DS značilen za n-kanal JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET Gate-to-Source Voltage Variation

V prejšnjem razdelku smo razvili i_D-v_DS karakteristična krivulja s V_GS = 0. V tem razdelku menimo, da je celoten i_D-v_DS značilnosti za različne vrednosti. \ t v_GS. Upoštevajte, da so v primeru BJT značilne krivulje (i_C-v_CE) imajo i_B kot parameter. FET je napetostno krmiljena naprava, kjer v_GS nadzoruje. Slika 16 prikazuje i_D-v_DS značilne krivulje za obe. \ t n-kanal in p-kanal JFET.

Slika 16-i_D-v_DS karakteristične krivulje za JFET

Ko se povečuje (v_GS je bolj negativna za n-kanal in bolj pozitiven za a p-kanal) se oblikuje izčrpalno območje in doseže ščipanje za nižje vrednosti i_D. Zato za n-kanal JFET na sliki 16 (a), maksimum i_D zmanjša s I_DSS as v_GS bolj negativno. Če v_GS se še bolj zmanjša (bolj negativno), vrednost v_GS po katerem se doseže i_D bo nič, ne glede na vrednost v_DS. Ta vrednost v_GS je poklican V_{GS (OFF)}ali napetost pri stiskanju (V_p). Vrednost V_p je negativna za n-kanal JFET in pozitiven za a p-kanal JFET. V_p lahko primerjate s V_T za način izčrpanja MOSFET.

Značilnosti prenosa 3.2 JFET

Značilnost prenosa je krivulja toka odtoka, i_D, kot funkcija napetosti odvoda do vira, v_DSs v_GS enako nizu stalnih napetosti (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V na sliki 16 (a)). Značilnost prenosa je skoraj neodvisna od vrednosti v_DS od takrat, ko JFET doseže pinch-off, i_D ostaja relativno konstantna za povečanje vrednosti. \ t v_DS. To je razvidno iz i_D-v_DS krivulje na sliki 16, kjer vsaka krivulja za vrednosti. \ t v_DS>V_p.

Na sliki 17 prikazujemo lastnosti prenosa in i_D-v_DS značilnosti za. \ t n-kanal JFET. Z njimi načrtujemo skupno i_D osi, da pokažete, kako pridobiti enega od drugega. Značilnosti prenosa se lahko pridobijo iz razširitve i_D-v_DS krivulje, kot kažejo črtkane črte na sliki 17. Najbolj uporabna metoda določanja prenosne značilnosti v območju nasičenja je z naslednjim razmerjem (Shockleyeva enačba):

(16)

Zato moramo samo vedeti I_DSS in V_p za določitev celotne značilnosti. Podatkovni listi proizvajalcev pogosto navajajo ta dva parametra, zato je mogoče izdelati karakteristiko prenosa. V_p v tehničnem listu proizvajalca je prikazano kot V_{GS (OFF)}. Upoštevajte, da i_D nasičene, (tj. postane konstantno) kot v_DS prekorači napetost, potrebno za izklop kanala. To lahko izrazimo kot enačbo za v_{DS, sat} za vsak krivulja, kot sledi:

(17)

As v_GS postane bolj negativen, ščipanje se pojavi pri nižjih vrednostih v_DS in zasičeni tok postane manjši. Uporabna regija za linearno delovanje je nad pinch-off in pod napetostjo. V tej regiji, i_D je nasičena in njena vrednost je odvisna od v_GSpo enačbi (16) ali karakteristiki prenosa.

Slika 17 - krivulje karakteristik prenosa JFET

Prenos in i_D-v_DS karakteristične krivulje za JFET, ki so prikazane na sliki 17, se razlikujejo od ustreznih krivulj za BJT. Krivulje BJT so lahko predstavljene kot enakomerno razporejene za enotne korake v baznem toku zaradi linearnega razmerja med i_C in i_B. JFET in MOSFET nimata trenutnega analognega baznemu toku, ker sta tokovna vrata nič. Zato smo prisiljeni prikazati družino krivulj i_D vs v_DS, in odnosi so zelo nelinearni.

Druga razlika se nanaša na velikost in obliko ohmske regije karakterističnih krivulj. Spomnimo se, da se pri uporabi BJTs izogibamo nelinearnemu delovanju z izogibanjem nižjim 5% vrednosti v_CE (tj območje zasičenosti). Vidimo, da je širina ohmske regije za JFET funkcija napetosti od vrat do vira. Ohmična regija je precej linearna, dokler se koleno ne zgosti blizu ščipalke. Ta regija se imenuje ohmska regija ker se v tem območju uporablja tranzistor, se obnaša kot ohmski upor, katerega vrednost je določena z vrednostjo v_GS. Ko se velikost napetosti od vrat do vira zmanjša, se širina ohmskega območja poveča. Na sliki 17 opažamo tudi, da je napetost okvare odvisna od napetosti od vrat do vira. Za doseganje razumno linearne ojačitve signala moramo dejansko uporabiti le razmeroma majhen del teh krivulj - območje linearnega delovanja je v aktivnem območju.

As v_DS narašča z nič, se na vsaki krivulji pojavi točka prekinitve, pri kateri se tok izteka zelo malo povečuje v_DS narašča. Pri tej vrednosti napetosti odtoka do vira se pojavi pinch-off. Vrednosti ščipanja so označene na sliki 17 in so povezane s črtkano krivuljo, ki ločuje ohmsko regijo od aktivne regije. Kot v_DS še naprej narašča čez ščepec-off, točka je dosežena, kjer napetost med odtok in vir postane tako velika, da razpad plazov pojavlja. (Ta pojav se pojavlja tudi v diodah in v BJTs). Na točki razčlenitve, i_D strmo narašča z zanemarljivim povečanjem. \ t v_DS. Ta razčlenitev se pojavi na koncu odvoda stičišča vratnega kanala. Zato, ko napetost odvodne odprtine, v_DG, presega napetost okvare (BV_GDS za pn plazu se pojavi plaz [za v_GS = 0 V]. Na tej točki i_D-v_DS Značilnost kaže posebno obliko, prikazano na desnem delu slike 17.

Območje med napetostjo ščipanja in razpadom plazov se imenuje aktivna regija, območje delovanja ojačevalnika, območje nasičenjaali ščepec. Ohmično območje (pred pinch-off) se običajno imenuje triode, vendar se včasih imenuje napetostno nadzorovano območje. JFET deluje v ohmski regiji, ko je želen spremenljiv upor in pri preklopnih aplikacijah.

Napetost okvare je funkcija v_GS kot tudi v_DS. Ker se poveča jakost napetosti med vrati in izvorom (bolj negativna za n-kanal in bolj pozitiven za p-kanal), napetost okvare se zmanjša (glej sliko 17). S v_GS = V_p, odtočni tok je nič (razen majhnega uhajanja) in z v_GS = 0, odvodni tok nasiči z vrednostjo,

(18)

I_DSS ali je tok zasičenja od odvoda do vira.

Med izklopom in porušitvijo je odvodni tok nasičen in se ne spreminja bistveno kot funkcija v_DS. Ko JFET preide obratovalno točko ščipanja, vrednost i_D lahko dobimo iz karakterističnih krivulj ali iz enačbe

(19)

Natančnejša različica te enačbe (ob upoštevanju majhnega nagiba karakterističnih krivulj) je naslednja:

(20)

λ je analogno λ za MOSFET-e in za 1 /V_A za BJT. Od λ je majhna, predvidevamo . To upravičuje opustitev drugega faktorja v enačbi in uporabo približka za pristranskost in analizo velikih signalov.

Tok zasičenja od odvoda do vira, I_DSS, je funkcija temperature. Vplivi temperature na V_p niso velike. Vendar pa I_DSS zmanjšuje se z naraščanjem temperature, zmanjšanje pa je enako 25% za 100^o povišanje temperature. Celo večje variacije se pojavijo v V_p in I_DSS zaradi majhnih odstopanj v proizvodnem procesu. To je razvidno iz ogleda dodatka za 2N3822, kjer je največ I_DSS je 10 mA, najmanjša pa je 2 mA.

Tokovi in napetosti v tem poglavju so predstavljeni za n-kanal JFET. Vrednosti za a p-kanal JFET je obratno od tistih, ki so podane za n-kanal.

3.3 JFET majhen signalni model

Model JFET z majhnim signalom je mogoče izpeljati po enakih postopkih, ki se uporabljajo za MOSFET. Model temelji na razmerju Equation (20). Če upoštevamo samo ac sestavni del napetosti in tokov

(21)

Parametri v enačbi (21) so podani z delnimi izvedenimi,

(22)

Nastali model je prikazan na sliki 18. Upoštevajte, da je model enak MOSFET modelu, ki je bil predhodno izveden, razen vrednosti g_m in r_o izračunane z uporabo različnih formul. Pravzaprav so formule enake, če V_p nadomesti V_T.

Slika 18 - Model izmeničnega signala majhnega signala JFET

Za oblikovanje JFET ojačevalnika, Q-točke za dc tok napetosti se lahko določi grafično, ali z uporabo analize vezja ob predpostavki, da je za tranzistor uporabljen način ščipanja. The dc pristranski tok v Q-točki mora ležati med 30% in 70% od I_DSS. To najde točko Q v najbolj linearni regiji karakterističnih krivulj.

Odnos med i_D in v_GS lahko narišemo na brezrazsežnem grafu (tj. normalizirano krivuljo), kot je prikazano na sliki 20.

Navpična os tega grafa je i_D/I_DSS in vodoravna os v_GS/V_p. Nagib krivulje je g_m.

Razumen postopek za določanje mirujoče vrednosti blizu središča linearnega delovnega območja je izbira in. Na sliki 6.20 upoštevajte, da je to blizu sredine krivine. Nato izberemo. To daje širok razpon vrednosti za v_ds ki ohranjajo tranzistor v načinu izklopa.

Slika 20 -i_D/I_DSS v primerjavi z v_GS/V_p

Transconductance lahko najdemo na Q-točki bodisi z naklona krivulje na sliki 20 bodisi z uporabo enačbe (22). Če uporabimo ta postopek, je parameter čezmerne prevodnosti podan z,

(23)

Ne pozabite, da je ta vrednost g_m odvisno od predpostavke, da I_D je nastavljen na polovico I_DSS in V_GS . 0.3V_p. Te vrednosti navadno predstavljajo dobro izhodišče za nastavitev mirujočih vrednosti za JFET.

PREJŠNJA-2. Polprevodniški kovinski oksidni FET (MOSFET)

NEXT- 4. Konfiguracije ojačevalcev FET in naklon