3. Tranzistor me fuqi fushe kryqëzimi (JFET)

Tranzistor me fuqi fushe kryqëzimi (JFET)

MOSFET ka një numër përparësish mbi tranzistorin e fushës së bashkimit (JFET). Veçanërisht, rezistenca input e MOSFET është më e lartë se ajo e JFET. Për këtë arsye, MOSFET zgjidhet në favor të JFET për shumicën e aplikacioneve. Sidoqoftë, JFET përdoret ende në situata të kufizuara sidomos për aplikimet analoge.

Ne kemi parë se MOSFET-të e zgjerimit kërkojnë një tension të pa-zero porta për të formuar një kanal për përçueshmëri. Asnjë rrymë e bartësit të shumicës nuk mund të rrjedhë midis burimit dhe kullimit pa këtë tension të portës së aplikuar. Në të kundërt, JFET kontrollon konduktimin e rrymës së shumicës së bartësit në një kanal ekzistues ndërmjet dy kontakteve ohmic. E bën këtë duke ndryshuar kapacitetin ekuivalent të pajisjes.

Megjithëse i afrohemi JFET-ve pa përdorur rezultatet e nxjerra më herët për MOSFET-et, do të shohim shumë ngjashmëri në funksionimin e dy llojeve të pajisjeve. Këto ngjashmëri janë përmbledhur në Seksionin 6: "Krahasimi i MOSFET me JFET".

Një skemë për strukturën fizike të JFET është treguar në figurën 13. Ashtu si BJT, JFET është një pajisje tre terminale. Ajo ka në thelb vetëm një pn kryqëzim midis portës dhe kanalit në vend të dy si në BJT (edhe pse duket të ketë dy pn kryqëzimet e paraqitura në figurën 13, këto janë të lidhura paralelisht duke bashkuar terminalet e portës së bashku. Kështu, ato mund të trajtohen si një kryqëzim i vetëm).

La n-kanal JFET, treguar në figurën 14 (a), është ndërtuar duke përdorur një rrip të nme dy materiale pMaterialet e tipit shpërndahen në shirit, një në çdo anë. p-kanal JFET ka një rrip të pme dy materiale nmateriale të shpërndara në shirit, siç tregohet në figurën 13 (b). Figura 13 gjithashtu tregon simbolet e qarkut.

Për të fituar njohuri mbi funksionimin e JFET, le të lidhim n-kanal JFET në një qark të jashtëm siç tregohet në figurën 14 (a). Një tension pozitiv i furnizimit, VDD, është aplikuar në ikjen (kjo është e ngjashme me VCC tension furnizimi për një BJT) dhe burimi është i bashkangjitur në të përbashkët (tokë). Një tension i furnizimit me porta, VGG, është aplikuar në portë (kjo është e ngjashme me VBB për BJT).

Struktura Fizike e JFET

Figura 13-Struktura Fizike e JFET

VDD siguron një tension kullues-burim, vDS, që shkakton një rrjedhje aktuale, iD, të rrjedhë nga ikja në burim. Meqenëse kryqëzimi i portës-burim është i njëanshëm nga ana e kundërt, rezultatet aktuale të portës zero janë të pranishme. Rrjedhja aktuale, iD, e cila është e barabartë me rrymën e burimit, ekziston në kanalin e rrethuar nga pporta e tipit. Tensioni i portës në burim, vGS, e cila është e barabartë me, krijon një sfera e shterimit në kanalin që redukton gjerësinë e kanalit. Kjo, nga ana tjetër, rrit rezistencën ndërmjet kullimit dhe burimit.

n-channel JFET

Figura 14 - JFET n-kanal i lidhur me qarqet e jashtëm

Ne e konsiderojmë operacionin JFET me vGS = 0, siç tregohet në figurën 14 (b). Rrjedhja aktuale, iD, permes nKanali nga ikja në burim shkakton një rënie të tensionit përgjatë kanalit, me potencial më të lartë në kryqëzimin e hyrjes. Ky tension pozitiv në kryqëzimin e kryqëzimit të derdhjes - anashkalon pn kryqëzim dhe prodhon një rajon të zbrazjes, siç tregohet nga zona e errët e errët në figurën 14 (b). Kur rritemi vDS, rrjedhja aktuale, iD, gjithashtu rritet, siç tregohet në figurën 15.

Ky veprim rezulton në një rajon më të madh të zbrazjes dhe një rritje të rezistencës në kanal midis shkarkimit dhe burimit. si vDS rritet më tej, arrihet një pikë ku rajoni i shterimit del jashtë gjithë kanalit në skajin e kullimit dhe rryma e kullimit arrin pikën e saj të ngopjes. Nëse rritemi vDS përtej kësaj pike, iD mbetet relativisht konstante. Vlera e rrymës së ngopur të kullimit me VGS = 0 është një parametër i rëndësishëm. Është rryma e ngopjes së kullimit-burim, IDSS. Ne kemi gjetur atë të jetë KVT2 për mënyrën e zbrazjes MOSFET. Siç mund të shihet nga Figura 15, duke u rritur vDS përtej këtij kanali të ashtuquajtur çikë-off pikë (-VP, IDSS) shkakton një rritje shumë të vogël në iD, dhe iD-vDS kurba karakteristike bëhet pothuajse e sheshtë (p.sh., iD mbetet relativisht konstante si vDS është rritur më tej). Kujtoj këtë VT (tani i caktuar VP) është negativ për një n- pajisje kanali. Operacioni përtej pikës së zinxhirit (në rajonin e ngopjes) sigurohet kur voltazhi i kullimit, VDS, është me e madhe se -VP (shih Figura 15). Si shembull, le të themi VP = -4V, kjo do të thotë se tensioni i kullimit, vDS, duhet të jetë më i madh ose i barabartë me - (- 4V) në mënyrë që JFET të mbetet në rajonin e saturimit (normal operativ).

Ky përshkrim tregon se JFET është një pajisje e tipit të zbrazjes. Ne presim që karakteristikat e tij të jenë të ngjashme me ato të MOSFETs të shterimit. Megjithatë ekziston një përjashtim i rëndësishëm: Ndërkohë që është e mundur të operohet një MOSFET me lloj shterimi në mënyrën e rritjes (duke aplikuar një pozicion pozitiv vGS nëse pajisja është n-kanal) kjo nuk është praktike në pajisjen e tipit JFET. Në praktikë, maksimumi vGS është e kufizuar në përafërsisht 0.3V që nga viti pn-junction mbetet në thelb prerë-off me këtë tension të vogël përpara.

Figura 15 - iD kundër vDS karakteristike për n-kanal JFET (VGS = 0V)

3.1 JFET Ndryshim i Tensionit nga Porta-Burime

Në pjesën e mëparshme, ne kemi zhvilluar iD-vDS kurba karakteristike me VGS = 0. Në këtë seksion, ne e konsiderojmë të plotë iD-vDS karakteristikat për vlera të ndryshme të vGS. Vini re se në rastin e BJT, kthesat karakteristike (iC-vCE) kanë iB si parametër. FET është një pajisje e kontrolluar me tension, ku vGS bën kontrolli. Figura 16 tregon iD-vDS kthesa karakteristike për të dyja n-kanal dhe p-kanal JFET.

Figura 16-iD-vDS kthesa karakteristike për JFET

Ndërsa rritet  (vGS është më negativ për një n-kanal dhe më pozitive për një p-kanal) është formuar rajoni i zbrazjes dhe arrihet pjerrësia për vlera më të ulëta të iD. Për këtë arsye n-kanal JFET e Figura 16 (a), maksimumi iD zvogëlohet nga IDSS as vGS është bërë më negativ. nëse vGS ulet më tej (më negativ), një vlerë prej vGS është arritur pas së cilës iD do të jetë zero pavarësisht nga vlera e vDS. Kjo vlerë e vGS quhet VGS (off)ose shkundni tensionin (Vp). Vlera e Vp është negativ për një n-kanal JFET dhe pozitive për një p-kanal JFET. Vp mund të krahasohet me VT për mënyrën e zbrazjes MOSFET.

Karakteristikat e transferimit të 3.2 JFET

Karakteristika e transferimit është një komplot i rrjedhës aktuale, iD, si një funksion i tensionit të kullimit në burim, vDS, Me vGS e barabartë me një sërë tensione të vazhdueshme (vGS = -3V, -2, -1V, 0V në Figurën 16 (a)). Karakteristika e transferimit është gati e pavarur nga vlera e vDS pasi që pasi JFET arrin shkulje, iD mbetet relativisht konstante për rritjen e vlerave të vDS. Kjo mund të shihet nga iD-vDS kthesa të figurës 16, ku secila kurbë bëhet përafërsisht e sheshtë për vlerat e vDS>Vp.

Në figurën 17, ne tregojmë karakteristikat e transferimit dhe iD-vDS karakteristikat për një n-kanal JFET. Ne i komplotojmë ato me një të përbashkët iD aks për të treguar se si të fitoni një nga tjetri. Karakteristikat e transferimit mund të merren nga një zgjatje e iD-vDS kurbat siç tregohet nga vijat e ndërprera në Figurën 17. Metoda më e dobishme për përcaktimin e karakteristikës së transferimit në rajonin e ngopjes është me lidhjen e mëposhtme (ekuacioni Shockley):


(16)

Prandaj, ne vetëm duhet të dimë IDSS Vp për të përcaktuar të gjithë karakteristikën. Fletët e të dhënave të prodhuesve shpesh japin këto dy parametra, kështu që karakteristika e transferimit mund të ndërtohet. Vp në fletën e specifikimit të prodhuesit tregohet si VGS (off). Vini re se iD ngop, (dmth, bëhet konstante) si vDS tejkalon tensionin e nevojshëm për kanalizimin e kanalit. Kjo mund të shprehet si një ekuacion për vDS, u ul për çdo kurbë, si vijon:


(17)

As vGS bëhet më negativ, çrregullimi ndodh në vlerat më të ulëta të vDS dhe rryma e ngopjes bëhet më e vogël. Rajoni i dobishëm për operacionin linear është më i madh se niveli i presionit dhe poshtë tensionit të ndarjes. Në këtë rajon, iD është e ngopur dhe vlera e saj varet vGS, sipas Ekuacionit (16) ose karakteristikën e transferimit.

Figura 17 - JFET karakteristikat e transferimit kthesa

Transferimi dhe iD-vDS kurbat karakteristike për JFET, të cilat janë treguar në figurën 17, dallojnë nga kthesat përkatëse për një BJT. Kthesat BJT mund të përfaqësohen si hapësira të njëtrajtshme për hapat uniformë në bazën aktuale për shkak të lidhjes lineare mes iC iB. JFET dhe MOSFET nuk kanë analog aktual të një rryme bazë sepse rrymat e portës janë zero. Prandaj, ne jemi të detyruar të tregojmë familjen e kthesave iD vs vDS, dhe marrëdhëniet janë shumë jolineare.

Dallimi i dytë ka të bëjë me madhësinë dhe formën e rajonit ohmik të kthesave karakteristike. Kujtohuni që në përdorimin e BJTs, ne shmangim operacion jolinear duke shmangur 5% më të ulët të vlerave të vCE (dmth rajon i ngopjes). Ne shohim se gjerësia e rajonit ohmik për JFET është një funksion i tensionit porta-burim. Rajoni ohmik është mjaft linear deri në gjunjë ndodh afër zhurmës. Ky rajon quhet rajoni ohmik sepse kur transistor përdoret në këtë rajon, sillet si një rezistencë ohmike vlera e së cilës përcaktohet nga vlera e vGS. Ndërsa madhësia e tensionit nga porta në burim zvogëlohet, gjerësia e rajonit ohmik rritet. Ne gjithashtu vërejmë nga Figura 17 se voltazhi i prishjes është një funksion i tensionit nga porta në burim. Në fakt, për të marrë një përforcim të arsyeshëm linear të sinjalit, ne duhet të përdorim vetëm një segment relativisht të vogël të këtyre kthesave - zona e funksionimit linear është në rajonin aktiv.

As vDS rritet nga zero, ndodh një pikë e thyer në çdo kurbë përtej së cilës rryma e kullimit rritet shumë pak vDS vazhdon të rritet. Në këtë vlerë të tensionit të kullimit në burim, ndodh shkrirja. Vlerat e zhurmës janë të etiketuara në figurën 17 dhe janë të lidhura me një kthesë të thyer që ndan rajonin ohmik nga rajoni aktiv. si vDS vazhdon të rritet përtej shkuljes, arrihet një pikë ku voltazhi midis shkarkimit dhe burimit bëhet kaq i madh ndarje ortekësh ndodh. (Ky fenomen ndodh edhe në diodat dhe në BJTs). Në pikën e thyerjes, iD rritet ndjeshëm me një rritje të papërfillshme vDS. Kjo ndarje ndodh në fund të ikjes së kryqëzimit të kanalit. Prandaj, kur tensioni i kullimit-porta, vDG, tejkalon tensionin e ndarjes (BVGDS për pn kryqëzim), ortek ndodh [për vGS = 0 V]. Në këtë pikë, iD-vDS karakteristika ekspozon formën e veçantë të treguar në pjesën e djathtë të Figura 17.

Rajoni midis tensionit të prerjes dhe rënies së ortekëve quhet rajonin aktiv, rajonin operativ të përforcuesit, rajonin e ngopjesose rrëshqitje off-rajon. Rajoni ohmik (para se të shkurtohet) zakonisht quhet rajon triode, por nganjëherë quhet rajon i kontrolluar nga voltazhi. JFET operon në rajonin ohmik, si kur dëshirohet një rezistencë e ndryshueshme, ashtu edhe në aplikimet e ndërrimit.

Tensioni i ndarjes është një funksion i vGS si dhe vDS. Ndërsa madhësia e tensionit në mes të portës dhe burimit është rritur (më shumë negative për n-kanal dhe më pozitive për p-kanal), ul tensionin e ndarjes (shih Figura 17). me vGS = Vp, rryma e shkarkimit është zero (përveç një rryme të vogël të rrjedhjes), dhe me vGS = 0, rrjedhja e ngopur aktuale në një vlerë,


(18)

IDSS është korrenti i ngopjes me rrymën aktuale.

Midis shkrirjes dhe ndarjes, rryma e shkarkimit është e ngopur dhe nuk ndryshon ndjeshëm si një funksion i vDS. Pasi JFET kalon pikën vepruese, vlera e iD mund të merren nga kthesa karakteristike ose nga ekuacioni


(19)

Një version më i saktë i këtij ekuacioni (duke marrë parasysh pjerrësinë e lehtë të kthesave karakteristike) është si më poshtë:


(20)

λ është analoge me λ për MOSFET, dhe për 1 /VA për BJTs. që nga λ është e vogël, ne supozojmë se  . Kjo justifikon heqjen dorë nga faktori i dytë në ekuacionin dhe duke përdorur përafrimin për analizimin e anasjelltës dhe sinjalit të madh.

Rrjedhja e ngopjes së rrymës, IDSS, është një funksion i temperaturës. Efektet e temperaturës Vp nuk janë të mëdha. Megjithatë, IDSS zvogëlohet ndërsa temperatura rritet, ulja është po aq sa 25% për një 100o rritja e temperaturës. Edhe ndryshime të mëdha ndodhin brenda Vp IDSS për shkak të ndryshimeve të vogla në procesin e prodhimit. Kjo mund të shihet duke parë Shtojcën për 2N3822 ku maksimumi IDSS është 10 mA dhe minimumi është 2 mA.

Rrymat dhe tensionet në këtë seksion paraqiten për një n-kanal JFET. Vlerat për një p-kanal JFET janë anasjelltas të atyre që janë dhënë për n-Kanal.

Modeli 3.3 JFET Small Signal

Një model JFET me sinjal të vogël mund të nxirret duke ndjekur të njëjtat procedura të përdorura për MOSFET. Modeli bazohet në marrëdhënien e Ekuacionit (20). Nëse ne e konsiderojmë vetëm ac komponent i tensioneve dhe rrymave, kemi


(21)

Parametrat në Ekuacion (21) jepen nga derivatet e pjesshme,


(22)

Modeli që rezulton është paraqitur në figurën 18. Vini re se modeli është identik me modelin MOSFET të nxjerrë më parë, përveç se vlerat e gm ro janë llogaritur duke përdorur formula të ndryshme. Në fakt formulat janë identike nëse Vp zëvendësohet për VT.

Figura 18 - Modeli i AC i sinjalit të vogël JFET

Për të hartuar një përforcues JFET, pika Q për dc rryma e paragjykimit mund të përcaktohet ose në mënyrë grafike, ose duke përdorur analizën e qarkut duke supozuar mënyrën pinch-off për tranzistorin. dc paragjykimi i tanishëm në pikën Q duhet të qëndrojë midis 30% dhe 70% të IDSS. Kjo e lokalizon pikën Q në rajonin më linear të kthesave karakteristike.

Marrëdhënia mes iD vGS mund të komplotohen në një grafik pa dimension (dmth., një kurbë normalizuar) siç tregohet në figurën 20.

Aksi vertikal i këtij grafiku është iD/IDSS dhe boshti horizontal është vGS/Vp. Pjerrësia e kurbës është gm.

Një procedurë e arsyeshme për gjetjen e vlerës së qetësisë pranë qendrës së rajonit linear të operimit është zgjedhja dhe. Shënim nga figura 6.20 që kjo është afër pikës së mesit të kurbës. Tjetra, ne zgjedhim. Kjo jep një gamë të gjerë vlerash për vds që mbajnë tranzitorin në mënyrën e tërheqjes.

Figura 20 -iD/IDSS kundër vGS/Vp

Ne mund të gjejmë transconductance në pikën Q ose nga pjerrësia e kurbë të Figura 20 ose duke përdorur Ekuacioni (22). Nëse e përdorim këtë procedurë, parametri i transkonduktancës jepet nga,


(23)

Mos harroni se kjo vlerë e gm varet nga supozimi se ID është vendosur në një gjysmë IDSS VGS . 0.3Vp. Këto vlera zakonisht paraqesin një pikënisje të mirë për përcaktimin e vlerave qetësuese për JFET.