3. Junction Field-effect Transistor (JFET)

Junction Field-effect Transistor (JFET)

MOSFET har ett antal fördelar över kryssfält-effekt-transistorn (JFET). MOSFET-ingångsresistansen är särskilt högre än den för JFET. Av denna anledning väljs MOSFET till förmån för JFET för de flesta applikationer. Icke desto mindre används JFET fortfarande i begränsade situationer, särskilt för analoga applikationer.

Vi har sett att förstärkning MOSFET kräver en icke-nollgrindspänning för att bilda en kanal för ledning. Ingen majoritetsbärarkrets kan strömma mellan källan och avloppet utan denna applicerade grindspänning. Däremot kontrollerar JFET konduktansen hos majoritetsbärarströmmen i en befintlig kanal mellan två ohmiska kontakter. Det gör detta genom att variera enhetens ekvivalenta kapacitans.

Även om vi närmar oss JFET utan att använda de resultat som härrör tidigare från MOSFET, kommer vi att se många likheter i driften av de två typerna av enheter. Dessa likheter sammanfattas i avsnitt 6: ”Jämförelse mellan MOSFET och JFET”.

En schematisk för JFETs fysiska struktur visas i Figur 13. Liksom BJT är JFET en tre terminal enhet. Den har i princip bara en pn korsning mellan grinden och kanalen i stället för två som i BJT (även om det verkar vara två pn korsningar som visas i figur 13, dessa är parallellt kopplade genom att koppla grindanslutningarna tillsammans. De kan således behandlas som en enda korsning).

Smakämnen n-kanalen JFET, som visas i figur 14 (a), är konstruerad med användning av en remsa av n-typmaterial med två p-typmaterial som diffunderas i remsan, en på varje sida. De p-kanalen JFET har en remsa av p-typmaterial med två n-typmaterial som diffunderas i remsan, såsom visas i figur 13 (b). Figur 13 visar också kretssymbolerna.

För att få insikt i driften av JFET, låt oss ansluta n-kanalen JFET till en extern krets som visas i Figur 14 (a). En positiv matningsspänning, V_DD, appliceras på avloppet (detta är analogt med V_CC matningsspänning för en BJT) och källan är kopplad till vanlig (jord). En grindförsörjningsspänning, V_GG, appliceras på porten (detta är analogt med V_BB för BJT).

Figur 13-Fysisk struktur av JFET

V_DD tillhandahåller en spännings-spännings-spänning, v_DS, som orsakar en dräneringsström, i_D, att strömma från dränering till källa. Eftersom grindkällans korsning är omvänd förspänd resulterar noll grindström. Dräneringsströmmen, i_D, som är lika med källströmmen, finns i kanalen omgiven av p-typ grind. Spänningen från grind till källa, v_GS, som är lika med, skapar en utarmningsområdet i kanalen som minskar kanalbredden. Detta ökar i sin tur motståndet mellan dränering och källa.

Figur 14 - N-kanal JFET ansluten till extern krets

Vi betraktar JFET-operationer med v_GS = 0, som visas i Figur 14 (b). Dräneringsströmmen, i_D, genom n-kanalen från avlopp till källa orsakar ett spänningsfall längs kanalen, med högre potential vid avlopps-grindskopplingen. Den här positiva spänningen vid avloppsgrindskopplingen förvränger pn korsning och producerar en utarmningsregion, såsom visas av det mörka skuggade området i figur 14 (b). När vi ökar v_DS, dräneringsströmmen, i_D, ökar också, som visas i Figur 15.

Denna åtgärd resulterar i en större utarmningsregion och ett ökat kanalmotstånd mellan dränering och källa. Som v_DS ökas ytterligare, en punkt uppnås där uttömningsområdet skär av hela kanalen vid avloppskanten och avloppsströmmen når sin mättnadspunkt. Om vi ökar v_DS från och med nu, i_D förblir relativt konstant. Värdet på den mättade avloppsströmmen med V_GS = 0 är en viktig parameter. Det är avlopps-mättnadsströmmen, I_DSS. Vi fann att det var KV_T² för uttömningsläge MOSFET. Som framgår av Figur 15 ökar v_DS bortom denna så kallade kanal nypa av punkt (-V_P, I_DSS) orsakar en mycket liten ökning i i_D, Och den i_D-v_DS karakteristiska kurvan blir nästan platt (dvs. i_D förblir relativt konstant som v_DS ökas ytterligare). Minnas det V_T (nu utsedd V_P) är negativ för en nkanalkanal. Drift utöver nypunktet (i mättningsområdet) erhålls när avloppsspänningen, V_DS, är större än -V_P (se figur 15). Som ett exempel, låt oss säga V_P = -4V betyder det att dräneringsspänningen, v_DS, måste vara större än eller lika med - (- 4V) för att JFET ska förbli i mättnadsområdet (normal drift).

Den här beskrivningen indikerar att JFET är en enhet för uttömningstyp. Vi förväntar oss att dess egenskaper liknar dem som utgår från MOSFET-uttömningen. Det finns emellertid ett viktigt undantag: Även om det är möjligt att använda en MOSFET-uttömningstyp i förbättringsläge (genom att använda en positiv v_GS om enheten är n-kanalen) Detta är inte praktiskt i JFET-typen. I praktiken är det maximala v_GS är begränsad till ungefär 0.3V sedan pn-kopplingen förblir väsentligen avskuren med denna lilla framspänning.

Figur 15 - i_D kontra v_DS kännetecknande för n-kanalen JFET (V_GS = 0V)

3.1 JFET Gate-To-Source Spänningsvariation

I det föregående avsnittet utvecklade vi i_D-v_DS karakteristisk kurva med V_GS = 0. I det här avsnittet anser vi det fullständiga i_D-v_DS egenskaper för olika värden av v_GS. Observera att i fråga om BJT, de karakteristiska kurvorna (i_C-v_CE) har i_B som parameter. FET är en spänningsstyrd enhet där v_GS kontrollerar Figur 16 visar i_D-v_DS karakteristiska kurvor för båda n-kanalen och p-kanalen JFET.

Figur 16-i_D-v_DS karakteristiska kurvor för JFET

När det ökar (v_GS är mer negativ för en n-kanalen och mer positiv för a p-kanalen) utarmningsområdet bildas och nypa uppnås för lägre värden av i_D. Därför för n-kanalen JFET i figur 16 (a), maximalt i_D minskar från I_DSS as v_GS görs mer negativ. Om v_GS minskas ytterligare (mer negativt), ett värde av v_GS nås efter vilket i_D kommer att vara noll oavsett värdet av v_DS. Detta värde av v_GS kallas V_{GS (OFF)}, eller nypspänning (V_p). Värdet av V_p är negativ för en n-kanalen JFET och positiv för a p-kanalen JFET. V_p kan jämföras med V_T för uttömningsläge MOSFET.

3.2 JFET Transfer Egenskaper

Överföringsegenskapen är en plot av dräneringsströmmen, i_D, som en funktion av spännings-till-källspänning, v_DS, med v_GS lika med en uppsättning konstanta spänningar (v_GS = -3V, -2, -1V, 0V i Figur 16 (a)). Överföringsegenskapen är nästan oberoende av värdet av v_DS sedan efter att JFET når pinch-off, i_D förblir relativt konstant för att öka värdena på v_DS. Detta kan ses från i_D-v_DS kurvor i Figur 16, där varje kurva blir ungefär platt för värden på v_DS>V_p.

I Figur 17 visar vi överföringsegenskaperna och i_D-v_DS egenskaper för en n-kanalen JFET. Vi plottar dessa med en gemensam i_D axeln för att visa hur man hämtar den ena från den andra. Överföringsegenskaperna kan erhållas från en förlängning av i_D-v_DS kurvor som visas med de streckade linjerna i figur 17. Den mest användbara metoden för att bestämma överföringskarakteristiken i mättnadsregionen är med följande förhållande (Shockley-ekvationen):

(16)

Därför behöver vi bara veta I_DSS och V_p för att bestämma hela egenskapen. Tillverkarens datablad ger ofta dessa två parametrar, så överföringskarakteristiken kan konstrueras. V_p i tillverkarens specifikationsblad visas som V_{GS (OFF)}. Anteckna det i_D mättat, (dvs. blir konstant) som v_DS överskrider den spänning som är nödvändig för att kanalen kläms av. Detta kan uttryckas som en ekvation för v_{DS, satt} för varje kurva, enligt följande:

(17)

As v_GS blir mer negativ uppstår knipningen vid lägre värden på v_DS och mättnadsströmmen blir mindre. Den användbara regionen för linjär drift är ovanför klyvning och under nedbrytningsspänningen. I denna region, i_D är mättad och dess värde beror på v_GS, enligt ekvation (16) eller överföringskarakteristiken.

Figur 17 - JFET överföringsegenskaper kurvor

Överföringen och i_D-v_DS karakteristiska kurvor för JFET, som visas i Figur 17, skiljer sig från motsvarande kurvor för en BJT. BJT-kurvorna kan representeras som jämnt fördelade för enhetliga steg i basströmmen på grund av det linjära förhållandet mellan i_C och i_B. JFET och MOSFET har ingen ström analog med en basström eftersom grindströmmarna är noll. Därför är vi tvungna att visa kurvens familj i_D vs v_DS, och relationerna är mycket olinjära.

Den andra skillnaden avser storleken och formen hos den ohmiska regionen hos de karakteristiska kurvorna. Kom ihåg att vid användning av BJTs undviker vi olinjär drift genom att undvika lägre 5% av värdena på v_CE (dvs. mättningsregion). Vi ser att bredden hos den ohmiska regionen för JFET är en funktion av gate-to-source-spänningen. Den ohmiska regionen är ganska linjär tills knäet inträffar nära att klämma fast. Denna region kallas ohmiska regionen för när transistorn används i denna region uppträder den som ett ohmt motstånd vars värde bestäms av värdet av v_GS. När storleken på grind-till-källspänningen minskar ökar bredden på det ohmska området. Vi noterar också från figur 17 att nedbrytningsspänningen är en funktion av gate-to-source-spänningen. För att få en rimlig linjär signalförstärkning måste vi faktiskt bara använda ett relativt litet segment av dessa kurvor - området för linjär drift är i det aktiva området.

As v_DS ökar från noll, sker en brytpunkt på varje kurva bortom vilken dräneringsströmmen ökar väldigt lite som v_DS fortsätter att öka. Vid detta värde av spännings-till-källspänning uppstår knäppning. Klyvningsvärdena är märkta i Figur 17 och är kopplade till en streckad kurva som skiljer den ohmiska regionen från den aktiva regionen. Som v_DS fortsätter att öka utöver klyvning, nås en punkt där spänningen mellan dränering och källa blir så stor som lavin brytning inträffar. (Detta fenomen uppträder också i dioder och i BJT). Vid brytpunkten, i_D ökar kraftigt med en försumbar ökning i v_DS. Denna uppdelning sker vid avloppsänden av grindkanalförbindelsen. Därför, när avloppsspänningen, v_DG, överskrider fördelningsspänningen (BV_GDS för pn korsning), förekommer lavin [för v_GS = 0 V]. Vid denna tidpunkt i_D-v_DS karakteristiska uppvisar den särdrag som visas på den högra delen av figur 17.

Regionen mellan klyvspänningen och snedbrytningen är kallad aktiv region, förstärkningsoperationsområde, mättningsområde, eller nypa region. Den ohmiska regionen (före klyvning) kallas vanligtvis triodregionen, men det kallas ibland för spänningsstyrd region. JFET drivs i den ohmiska regionen både när ett variabelt motstånd är önskvärt och i omkopplingsapplikationer.

Uppdelningsspänningen är en funktion av v_GS såväl som v_DS. När spänningen mellan port och källa ökar (mer negativ för n-kanalen och mer positiv för p-kanalen) minskar nedbrytningsspänningen (se figur 17). Med v_GS = V_p, dräneringsströmmen är noll (med undantag för en liten läckström) och med v_GS = 0, dräneringsströmmen mättas till ett värde,

(18)

I_DSS är mättnad dränera-till-källströmmen.

Mellan klyvning och nedbrytning är avloppsströmmen mättad och förändras inte märkbart som en funktion av v_DS. När JFET har passerat nivån för driftstopp, värdet på i_D kan erhållas från de karakteristiska kurvorna eller från ekvationen

(19)

En mer exakt version av denna ekvation (med hänsyn till den svaga lutningen av karaktäristiska kurvor) är som följer:

(20)

λ är analog med λ för MOSFET, och till 1 /V_A för BJTs. Eftersom λ är liten, vi antar det . Detta motiverar att utesluta den andra faktorn i ekvationen och använda approximationen för förspänning och stor signalanalys.

Mättnadens strömning till källa, I_DSS, är en funktion av temperaturen. Effekterna av temperaturen på V_p är inte stora. Dock, I_DSS minskar när temperaturen ökar, minskningen är lika mycket som 25% för en 100^o ökning i temperaturen. Ännu större variationer uppstår i V_p och I_DSS på grund av små variationer i tillverkningsprocessen. Detta kan ses genom att se bilagan för 2N3822 där maximalt I_DSS är 10 mA och minimum är 2 mA.

Strömmarna och spänningarna i detta avsnitt presenteras för en n-kanalen JFET. Värdena för a p-kanalen JFET är motsatt av de som ges för n-kanalisera.

3.3 JFET Small-Signal AC-modell

En JFET-småsignalmodell kan härledas enligt samma procedurer som används för MOSFET. Modellen bygger på förhållandet mellan ekvation (20). Om vi bara betraktar ac komponent av spänningar och strömmar vi har

(21)

Parametrarna i ekvation (21) ges av de partiella derivaten,

(22)

Den resulterande modellen visas i Figur 18. Observera att modellen är identisk med den tidigare MOSFET-modellen, förutom att värdena för g_m och r_o beräknas med olika formler. Egentligen är formlerna identiska om V_p ersätts V_T.

Figur 18 - AC-modell för liten signal AC

För att designa en JFET-förstärkare, Q-punkten för dc biasströmmen kan bestämmas antingen grafiskt eller genom att använda kretsanalys med antagningsläge för transistorn. De dc biasström vid Q-punkten bör ligga mellan 30% och 70% av I_DSS. Detta lokaliserar Q-punkten i den mest linjära regionen av karaktäristiska kurvor.

Relationen mellan i_D och v_GS kan plottas på en dimensionlös graf (dvs en normaliserad kurva) som visas i Figur 20.

Den vertikala axeln för denna graf är i_D/I_DSS och den horisontella axeln är v_GS/V_p. Kurvens lutning är g_m.

Ett rimligt förfarande för att lokalisera vilovärdet nära mitten av det linjära driftsområdet är att välja och. Observera från figur 6.20 att detta är nära mittpunkten för kurvan. Därefter väljer vi. Detta ger ett brett spektrum av värden för v_ds som håller transistorn i klämläget.

Figur 20 -i_D/I_DSS kontra v_GS/V_p

Vi kan hitta transkonduktansen vid Q-punkten antingen från kurvens lutning i Figur 20 eller genom att använda ekvation (22). Om vi använder denna procedur ges transconduktivitetsparametern av,

(23)

Kom ihåg att detta värde av g_m beror på antagandet att I_D är inställd på hälften I_DSS och V_GS . 0.3V_p. Dessa värden utgör vanligtvis en bra utgångspunkt för att ställa in de slumpartiga värdena för JFET.

TIDLIGARE - 2. Metalloxidhalvlederfet (MOSFET)

NÄSTA4. FET-förstärkarkonfigurationer och förspänning