Tranzistoare cu efect de câmp de joncțiune
Tranzistoarele cu efect de câmp de joncțiune sunt tranzistoare bazate pe semiconductori controlați de tensiune. Acestea sunt tranzistoare unidirecționale cu trei terminale; scurgere, sursa si poarta. JFET-urile nu au joncțiuni PN, dar sunt compuse din canale din materiale semiconductoare.
Construcție și Clasificări
JFET-urile au un canal mare pentru fluxul de purtători majoritari de sarcină. Acest canal este cunoscut sub numele de substrat. Substratul poate fi din material de tip P sau de tip N. Două contacte externe cunoscute sub numele de contacte ohmice sunt plasate peste cele două capete ale canalului. JFET-urile sunt clasificate pe baza materialului semiconductor al substratului în construcția lor.
Tranzistoare JFET cu canal N
Canalul este realizat din material impur de tip N, în timp ce porțile sunt compuse din material impur de tip P. Materialul de tip N înseamnă că impuritățile pentavalente au fost dopate, iar cei mai mulți purtători de sarcină sunt electroni liberi în canal. Construcția de bază și prezentarea simbolică a JFET-urilor N-Channel este prezentată mai jos:
Tranzistoare JFET cu canal P
Canalul este compus din material impur de tip P, în timp ce porțile sunt compuse din material impur de tip N. P-Channel înseamnă că impuritățile trivalente au fost dopate în canal și majoritatea purtătorilor de sarcină sunt găuri. Construcția de bază și prezentarea simbolică a JFET P-Channel sunt prezentate mai jos:
Funcționarea JFET-urilor
JFET-urile sunt adesea descrise cu analogia cu conducta de furtun de apă. Fluxul de apă prin conducte este analog cu fluxul de electroni prin canalele JFET-urilor. Strângerea conductei de apă decide cantitatea de debit de apă. În mod similar, în cazul JFET-urilor, aplicarea tensiunilor la bornele de poartă decide îngustarea sau lărgirea canalului pentru deplasarea sarcinilor de la sursă la scurgere.
Când se aplică tensiune de polarizare inversă între poartă și sursă, canalul se îngustează în timp ce stratul de epuizare crește. Acest mod de operare se numește mod de pinch-off. Acest tip de comportament al canalului este reprezentat mai jos:
Curba caracteristicilor JFET
JFET-urile sunt dispozitive în modul de epuizare, ceea ce înseamnă că funcționează la lărgirea sau îngustarea straturilor de epuizare. Pentru a analiza modurile complete de funcționare, următorul aranjament de polarizare este aplicat pe un JFET cu canale N.
Două tensiuni de polarizare diferite sunt aplicate la bornele JFET. VDS este aplicat între dren și sursă, în timp ce VGS este aplicat între poartă și sursă, așa cum se arată în figura de mai sus.
JFET va funcționa în patru moduri diferite de operare, după cum se discută mai jos.
1: Modul Ohmic
Modul ohmic este o stare normală fără tensiuni de polarizare aplicate la bornele sale. Prin urmare, VGS=0 în modul ohmic. Stratul de epuizare va fi foarte subțire și JFET funcționează ca un element ohmic, cum ar fi un rezistor.
2: Modul Pinch-Off
În modul de întrerupere, se aplică suficientă tensiune de polarizare pe poartă și sursă. Tensiunea de polarizare inversă aplicată întinde regiunea de epuizare la nivelul maxim și, prin urmare, canalul se comportă ca un comutator deschis rezistând fluxului de curent.
3: Modul de saturație
Tensiunea de polarizare a porții și a sursei controlează fluxul de curent prin canalul JFET. Curentul variază în funcție de modificarea tensiunii de polarizare. Tensiunea de polarizare dren și sursă are un efect neglijabil în acest mod.
4: Modul de avarie
Tensiunea de polarizare a drenului și a sursei crește până la un nivel care descompune stratul de epuizare din canalul JFET-urilor. Acest lucru duce la un flux maxim de curent prin canal.
Expresii matematice pentru parametrii JFET
În modurile de saturație, JFET-urile intră în moduri de conductor în care tensiunea variază curentul. Prin urmare, curentul de scurgere poate fi evaluat. Expresia pentru evaluarea curentului de scurgere este dată de:
Canalul se lărgește sau se îngustează cu aplicarea tensiunilor de poartă. Rezistența canalului în funcție de aplicarea tensiunii dren-sursei este exprimată ca:
RDS poate fi calculat și prin câștig de transconductanță, gm:
Configurațiile JFET
JFET-urile pot fi conectate într-o varietate de moduri cu tensiunile de intrare. Aceste configurații sunt cunoscute ca sursă comună, poartă comună și configurații comune de scurgere.
Configurație sursă comună
În configurația obișnuită a sursei, sursa JFET este legată la pământ și intrarea este conectată la terminalul de poartă, în timp ce ieșirea este preluată de la dren. Această configurație oferă impedanță mare de intrare și funcții de amplificare a tensiunii. Această configurație a modului de amplificator este cea mai comună dintre toate configurațiile JFET. Ieșirea obținută este defazată de 180 de grade cu intrarea.
Configurație comună a porții
Într-o configurație obișnuită de poartă, poarta este legată la pământ în timp ce intrarea este conectată la sursă și ieșirea este luată de la scurgere. Deoarece poarta este conectată la masă, configurația are impedanță de intrare scăzută, dar impedanță mai mare la ieșire. Ieșirea obținută este în fază cu intrarea:
Configurație comună de scurgere
Într-o scurgere comună, intrarea este conectată la poartă în timp ce ieșirea este conectată de la terminalul sursă. Această configurație oferă, de asemenea, impedanță de intrare scăzută și impedanță de ieșire mai mare, la fel ca configurația obișnuită a porții, dar câștigul de tensiune este aproximativ unitar aici.
Această configurație se potrivește și cu sursa comună în care intrarea este conectată la poartă, dar configurația sursă comună are câștig mai mic decât unitatea.
Aplicație – Configurația amplificatorului JFET
JFET-urile pot fi făcute să funcționeze ca amplificatoare de clasă A atunci când terminalul de poartă este conectat la o rețea de divizor de tensiune. O tensiune externă este aplicată la borna sursă, care este configurată în mare parte să fie un sfert din VDD în circuitul de mai jos.
Prin urmare, tensiunea sursei poate fi exprimată astfel:
De asemenea, tensiunea sursei poate fi calculată prin expresia de mai jos:
Curentul de scurgere poate fi calculat din configurația de mai sus, după cum urmează:
Tensiunea de poartă poate fi obținută în funcție de valorile rezistențelor R1 și R2, așa cum sunt prezentate mai jos.
Exemplul 1: Calcularea V DD
Dacă V GS (dezactivat) =-8V, I DSS =24mA pentru JFET în configurația de mai jos, calculați V DD așa cum se arată în figură când R D =400.
De cand
Cele de mai sus trebuie să fie valoarea minimă a VDS pentru ca JFET să funcționeze în regiunea de curent constant, prin urmare:
De asemenea,
Prin aplicarea KVL la circuitul de scurgere:
Exemplul 2: Determinați valoarea curentului de scurgere
Determinați valoarea curentului de scurgere atunci când VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA pentru configurația JFET mai mică.
Expresia curentului de scurgere este:
Concluzie
Tranzistoarele cu efect de câmp de joncțiune sunt trei dispozitive semiconductoare terminale care funcționează cu comportamentul regiunilor de epuizare în diferite moduri de funcționare. Nu au joncțiuni PN, dar sunt realizate din canale din materiale semiconductoare.