Spojni tranzistorji z učinkom polja
Tranzistorji z učinkom polja so napetostno krmiljeni polprevodniški tranzistorji. To so enosmerni tranzistorji s tremi terminali; odtok, izvor in vrata. JFET-ji nimajo PN-stikov, ampak so sestavljeni iz kanalov polprevodniških materialov.
Konstrukcija in klasifikacije
JFET-ji imajo velik kanal za pretok večinskih nosilcev naboja. Ta kanal je znan kot substrat. Substrat je lahko iz materiala tipa P ali N. Dva zunanja kontakta, znana kot ohmski kontakti, sta nameščena na obeh koncih kanala. JFET-ji so razvrščeni glede na polprevodniški material substrata v njihovi konstrukciji.
N-kanalni JFET tranzistorji
Kanal je izdelan iz nečistočnega materiala N-tipa, medtem ko so vrata sestavljena iz nečistočnega materiala P-tipa. Material tipa N pomeni, da so petovalentne nečistoče dopirane in da so glavni nosilci naboja prosti elektroni v kanalu. Osnovna konstrukcija in simbolična predstavitev N-kanalnih JFET-jev je prikazana spodaj:
P-kanalni JFET tranzistorji
Kanal je sestavljen iz materiala nečistoč tipa P, medtem ko so vrata sestavljena iz materiala nečistoč tipa N. P-kanal pomeni, da so bile v kanalu dopirane trivalentne nečistoče in so večinski nosilci naboja luknje. Osnovna konstrukcija in simbolna predstavitev P-kanalnega JFET je prikazana spodaj:
Delovanje JFET-jev
JFET-ji so pogosto opisani z analogijo cevi za vodo. Pretok vode skozi cevi je podoben pretoku elektronov skozi kanale JFET-jev. Stiskanje vodovodne cevi določa količino pretoka vode. Podobno v primeru JFET-jev uporaba napetosti na priključkih vrat odloča o zožitvi ali razširitvi kanala za premikanje nabojev od vira do odtoka.
Ko se uporabi povratna prednapetost na vratih in izvoru, se kanal zoži, medtem ko se izčrpana plast poveča. Ta način delovanja se imenuje pinch-off način. Tovrstno vedenje kanala je predstavljeno spodaj:
Krivulja značilnosti JFET
JFET-ji so naprave za način izčrpavanja, kar pomeni, da delujejo na širjenju ali zoženju slojev za izčrpavanje. Za analizo celotnih načinov delovanja se za N-kanalni JFET uporabi naslednja prednapetostna ureditev.
Na sponkah JFET sta uporabljeni dve različni prednapetosti. VDS se uporablja med odtokom in izvorom, medtem ko se VGS uporablja med vrati in izvorom, kot je prikazano na zgornji sliki.
JFET bo deloval v štirih različnih načinih delovanja, kot je opisano spodaj.
1: Ohmski način
Ohmski način je normalno stanje brez kakršnih koli prednapetosti, ki se uporabljajo na njegovih sponkah. Zato je VGS=0 v ohmskem načinu. Osiromašena plast mora biti zelo tanka in JFET deluje kot ohmični element, kot je upor.
2: Način odščipnitve
V načinu izklopa se uporabi zadostna prednapetost na vratih in viru. Uporabljena povratna prednapetost raztegne območje izčrpanosti na najvišjo raven, zato se kanal obnaša kot odprto stikalo, ki se upira toku toka.
3: Način nasičenosti
Prednapetost vrat in vira nadzira tok skozi kanal JFET. Tok se spreminja s spremembo prednapetosti. Prednapetost odtoka in vira ima v tem načinu zanemarljiv učinek.
4: Način razčlenitve
Prednapetost odtoka in vira se poveča do ravni, ki razgradi osiromašeno plast v kanalu JFET-jev. To vodi do največjega pretoka toka skozi kanal.
Matematični izrazi za parametre JFET
V načinih nasičenosti JFET-ji vstopijo v prevodniške načine, kjer napetost spreminja tok. Zato je mogoče oceniti odvodni tok. Izraz za oceno odtočnega toka je podan z:
Kanal se razširi ali zoži z uporabo napetosti vrat. Upornost kanala glede na uporabo napetosti odtok-izvor je izražena kot:
RDS je mogoče izračunati tudi s pridobivanjem prevodnosti, gm:
Konfiguracije JFET
JFET-je je mogoče povezati na različne načine z vhodnimi napetostmi. Te konfiguracije so znane kot konfiguracije skupnega vira, skupnih vrat in skupnega odtoka.
Konfiguracija skupnega vira
V konfiguraciji običajnega vira je vir JFET ozemljen in vhod je povezan s priključkom vrat, medtem ko je izhod vzet iz odtoka. Ta konfiguracija ponuja visoko vhodno impedanco in funkcije ojačanja napetosti. Ta konfiguracija načina ojačevalnika je najpogostejša od vseh konfiguracij JFET. Dobljeni izhod je 180 stopinj izven faze od vhoda.
Skupna konfiguracija vrat
V običajni konfiguraciji vrat so vrata ozemljena, medtem ko je vhod povezan z virom, izhod pa je vzet iz odtoka. Ker so vrata povezana z zemljo, ima konfiguracija nizko vhodno impedanco, vendar višjo impedanco na izhodu. Dobljeni izhod je v fazi z vhodom:
Skupna konfiguracija odtoka
V skupnem odtoku je vhod povezan z vrati, medtem ko je izhod povezan z izvornim terminalom. Ta konfiguracija ponuja tudi nizko vhodno impedanco in višjo izhodno impedanco, tako kot običajna konfiguracija vrat, vendar je napetostni dobiček tukaj približno enak.
Ta konfiguracija se ujema tudi s skupnim virom, kjer je vhod povezan z vrati, vendar ima konfiguracija skupnega vira dobiček manjši od enote.
Aplikacija – Konfiguracija ojačevalnika JFET
JFET-je lahko naredite tako, da delujejo kot ojačevalniki razreda A, ko je priključek vrat povezan z omrežjem delilnika napetosti. Zunanja napetost se uporablja na izvornem terminalu, ki je večinoma konfiguriran tako, da znaša eno četrtino VDD v spodnjem vezju.
Izvorno napetost je torej mogoče izraziti kot:
Tudi napetost vira je mogoče izračunati s spodnjim izrazom:
Odtočni tok se lahko izračuna iz zgornje konfiguracije, kot je prikazano spodaj:
Napetost vrat je mogoče dobiti kot funkcijo vrednosti uporov R1 in R2, kot je navedeno spodaj.
Primer 1: Izračun V DD
Če V GS (izklopljeno) =-8V, I DSS =24 mA za JFET v spodnji konfiguraciji, izračunajte V DD kot je prikazano na sliki, ko je R D =400.
Od
Zgoraj je najmanjša vrednost VDS za JFET za delovanje v območju konstantnega toka, torej:
tudi
Z uporabo KVL na odvodnem krogu:
Primer 2: Določite vrednost odvodnega toka
Določite vrednost odvodnega toka, ko je VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA za konfiguracijo pod JFET.
Izraz za odvodni tok je:
Zaključek
Spojni tranzistorji z učinkom polja so tri končne polprevodniške naprave, ki delujejo z obnašanjem osiromašenih območij v različnih načinih delovanja. Nimajo PN-stikov, ampak so izdelani iz kanalov polprevodniških materialov.