Tranzistory s efektom prechodového poľa
Tranzistory Junction Field Effect sú napäťovo riadené tranzistory na báze polovodičov. Sú to jednosmerné tranzistory s tromi svorkami; odtok, zdroj a brána. JFETy nemajú PN prechody, ale sú zložené z kanálov z polovodičových materiálov.
Konštrukcia a klasifikácia
JFET majú veľký kanál pre tok väčšiny nosičov náboja. Tento kanál je známy ako substrát. Substrát môže byť z materiálu typu P alebo typu N. Dva externé kontakty známe ako ohmické kontakty sú umiestnené cez dva konce kanála. JFET sú klasifikované na základe polovodičového materiálu substrátu v ich konštrukcii.
N-kanálové tranzistory JFET
Kanál je vyrobený z prímesového materiálu typu N, zatiaľ čo brány sú zložené z prímesového materiálu typu P. Materiál typu N znamená, že päťmocné nečistoty boli dopované a väčšina nosičov náboja sú voľné elektróny v kanáli. Základná konštrukcia a symbolická prezentácia N-kanálových JFET je znázornená nižšie:
Tranzistory JFET s kanálom P
Kanál je zložený z prímesového materiálu typu P, zatiaľ čo brány sú zložené z prímesového materiálu typu N. P-Kanál znamená, že v kanáli boli dopované trojmocné nečistoty a väčšina nosičov náboja sú diery. Základná konštrukcia a symbolická prezentácia P-Channel JFET je znázornená nižšie:
Fungovanie JFET
JFET sú často opísané s analógiou vodnej hadice. Prietok vody potrubím je analogický s prietokom elektrónov cez kanály JFET. O množstve prietoku vody rozhoduje stlačenie vodnej fajky. Podobne v prípade JFET rozhoduje o zúžení alebo rozšírení kanála pre pohyb nábojov od zdroja k odtoku aplikácia napätia cez terminály brány.
Keď sa použije spätné predpätie cez bránu a zdroj, kanál sa zužuje, zatiaľ čo vrstva vyčerpania sa zvyšuje. Tento režim prevádzky sa nazýva režim pinch-off. Tento druh správania kanála je znázornený nižšie:
Charakteristická krivka JFET
JFET sú zariadenia v režime vyčerpania, čo znamená, že fungujú na rozširovaní alebo zužovaní vrstiev vyčerpania. Na analýzu úplných prevádzkových režimov sa na N-kanálový JFET použije nasledujúce usporiadanie predpätia.
Na svorky JFET sú aplikované dve rôzne predpätia. VDS sa aplikuje medzi odtok a zdroj, zatiaľ čo VGS sa aplikuje medzi bránu a zdroj, ako je znázornené na obrázku vyššie.
JFET bude fungovať v štyroch rôznych režimoch prevádzky, ako je uvedené nižšie.
1: Ohmický režim
Ohmický režim je normálny stav bez akéhokoľvek predpätia aplikovaného na jeho svorky. Preto VGS=0 v ohmickom režime. Vrstva vyčerpania musí byť veľmi tenká a JFET funguje ako ohmický prvok, ako je odpor.
2: Režim pinch-off
V režime cut-off sa na bránu a zdroj aplikuje dostatočné predpätie. Aplikované spätné predpätie natiahne oblasť vyčerpania na maximálnu úroveň, a preto sa kanál správa ako otvorený spínač, ktorý odoláva toku prúdu.
3: Režim sýtosti
Predpätie brány a zdroja riadi tok prúdu cez kanál JFET. Prúd sa mení so zmenou predpätia. Odtokové a zdrojové predpätie má v tomto režime zanedbateľný vplyv.
4: Režim rozdelenia
Odtokové a zdrojové predpätie sa zvýši na úroveň, ktorá rozbije vrstvu vyčerpania v kanáli JFET. To vedie k maximálnemu prietoku prúdu cez kanál.
Matematické výrazy pre parametre JFET
V režimoch nasýtenia vstupujú JFET do režimov vodičov, kde napätie mení prúd. Preto je možné vyhodnotiť odtokový prúd. Výraz pre vyhodnotenie odtokového prúdu je daný:
Kanál sa rozširuje alebo zužuje pri použití hradlových napätí. Odpor kanála vzhľadom na aplikáciu napätia zdroja kolektora je vyjadrený ako:
RDS možno vypočítať aj pomocou transkonduktančného zisku, gm:
Konfigurácie JFET
JFET môžu byť pripojené rôznymi spôsobmi so vstupným napätím. Tieto konfigurácie sú známe ako konfigurácie spoločného zdroja, spoločnej brány a spoločného odtoku.
Konfigurácia spoločného zdroja
V konfigurácii bežného zdroja je zdroj JFET uzemnený a vstup je pripojený k terminálu brány, zatiaľ čo výstup je odoberaný z odtoku. Táto konfigurácia ponúka vysokú vstupnú impedanciu a funkcie zosilnenia napätia. Táto konfigurácia režimu zosilňovača je najbežnejšia zo všetkých konfigurácií JFET. Získaný výstup je fázovo posunutý oproti vstupu o 180 stupňov.
Konfigurácia spoločnej brány
V bežnej konfigurácii brány je brána uzemnená, zatiaľ čo vstup je pripojený k zdroju a výstup je odoberaný z odtoku. Keďže brána je spojená so zemou, konfigurácia má nízku vstupnú impedanciu, ale vyššiu impedanciu na výstupe. Získaný výstup je vo fáze so vstupom:
Konfigurácia spoločného odtoku
V spoločnom odtoku je vstup pripojený k bráne, zatiaľ čo výstup je pripojený zo zdroja. Táto konfigurácia tiež ponúka nízku vstupnú impedanciu a vyššiu výstupnú impedanciu rovnako ako konfigurácia bežnej brány, ale napäťové zosilnenie je tu približne jednotné.
Táto konfigurácia sa tiež zhoduje so spoločným zdrojom, kde je vstup pripojený k bráne, ale konfigurácia spoločného zdroja má zisk menší ako jednota.
Aplikácia – Konfigurácia zosilňovača JFET
JFETy môžu fungovať ako zosilňovače triedy A, keď je hradlový terminál pripojený k sieti deliča napätia. Externé napätie je aplikované cez zdrojový terminál, ktorý je väčšinou nakonfigurovaný tak, aby predstavoval jednu štvrtinu VDD v nižšie uvedenom obvode.
Zdrojové napätie môže byť teda vyjadrené ako:
Zdrojové napätie možno vypočítať aj pomocou nižšie uvedeného výrazu:
Odtokový prúd možno vypočítať z vyššie uvedenej konfigurácie, ako je uvedené nižšie:
Napätie hradla možno získať ako funkciu hodnôt rezistorov R1 a R2, ako je uvedené nižšie.
Príklad 1: Výpočet V DD
Ak V GS (vypnuté) = -8V, I DSS = 24 mA pre JFET v nižšie uvedenej konfigurácii, vypočítajte V DD ako je znázornené na obrázku, keď R D = 400.
Od r
Vyššie uvedené bude minimálna hodnota VDS, aby JFET fungoval v oblasti konštantného prúdu, preto:
tiež
Aplikovaním KVL na odtokový okruh:
Príklad 2: Stanovte hodnotu odtokového prúdu
Určte hodnotu odberového prúdu, keď VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA pre konfiguráciu JFET nižšie.
Výraz pre odvodňovací prúd je:
Záver
Tranzistory s efektom spojovacieho poľa sú tri koncové polovodičové zariadenia, ktoré pracujú so správaním oblastí vyčerpania v rôznych režimoch prevádzky. Nemajú PN prechody, ale sú vyrobené z kanálov z polovodičových materiálov.