Tranzistoare cu efect de câmp (FET)

tranzistor cu efect de câmp (FET) este un dispozitiv electronic în care un câmp electric este folosit pentru reglarea fluxului de curent. Pentru a implementa acest lucru, se aplică o diferență de potențial între terminalele de poartă și sursă ale dispozitivului, ceea ce modifică conductivitatea dintre terminalele de evacuare și sursă, provocând un curent controlat să curgă peste aceste terminale.

FET-urile sunt numite tranzistoare unipolare deoarece acestea sunt concepute pentru a funcționa ca dispozitive de tip single-carrier. Veți găsi diferite tipuri de tranzistoare cu efect de câmp disponibile.

Simbol

Simbolurile grafice pentru JFET-urile n-canal și p-canal pot fi vizualizate în următoarele figuri.

Puteți observa în mod clar că semnele săgeții care sunt îndreptate spre interior pentru dispozitivul cu canal n pentru a indica direcția în care eu_G(curentul de poartă) ar trebui să curgă atunci când joncțiunea p-n a fost polarizată înainte.

În cazul unui dispozitiv cu canal p, condițiile sunt identice, cu excepția diferenței în direcția simbolului săgeții.

Diferența dintre FET și BJT

Tranzistorul cu efect de câmp (FET) este un dispozitiv cu trei terminale conceput pentru o gamă largă de aplicații de circuite care completează, la un nivel excelent, cele ale tranzistorului BJT.

Deși veți găsi diferențe semnificative între BJT și JFET, există de fapt mai multe caracteristici de potrivire despre care se vor vorbi în discuțiile următoare. Principala distincție între aceste dispozitive este BJT este un dispozitiv controlat de curent, așa cum este reprezentat în Fig. 5.1a, în timp ce tranzistorul JFET este un dispozitiv controlat de tensiune, așa cum este indicat în Fig. 5.1b.

Pur și simplu, actualul I_Cîn Fig. 5.1a este o funcție imediată a nivelului de I_B. Pentru FET curentul I este o funcție a tensiunii V_GSdat circuitului de intrare așa cum este demonstrat în Fig. 5.1b.

În ambele cazuri, curentul circuitului de ieșire va fi guvernat de un parametru al circuitului de intrare. Într-o situație un nivel de curent și în cealaltă o tensiune aplicată.

La fel ca npn și pnp pentru tranzistoarele bipolare, veți găsi tranzistoare cu efect de câmp cu canal n și p. Dar, ar trebui să vă amintiți că tranzistorul BJT este un dispozitiv bipolar, prefixul bi- indicând faptul că nivelul de conducere este o funcție a doi purtători de sarcină, electroni și găuri.

FET pe de altă parte este un dispozitiv unipolar asta depinde numai de conducerea electronică (canal n) sau de gaură (canal p).

Expresia „efect de câmp” poate fi explicată astfel: toți suntem conștienți de puterea unui magnet permanent de a atrage piloții de metal către magnet fără niciun contact fizic. Într-un mod similar în interiorul FET, un câmp electric este creat de sarcinile existente care influențează calea de conducere a circuitului de ieșire fără a avea niciun contact direct între mărimile controlate și controlate. Probabil una dintre cele mai importante caracteristici ale FET este impedanța sa mare de intrare.

Cu o magnitudine cuprinsă între 1 și multe sute de megahmi, acesta depășește în mod semnificativ intervalele normale de rezistență la intrare ale configurațiilor BJT, un atribut extrem de important în timp ce dezvoltă modele de amplificator de curent alternativ.

Cu toate acestea, BJT are o sensibilitate mai mare la variațiile semnalului de intrare. Adică, modificarea curentului de ieșire este de obicei semnificativ mai mare pentru BJT decât FET pentru aceeași cantitate de modificare a tensiunilor de intrare.

Din această cauză, câștigurile standard de tensiune alternativă pentru amplificatoarele BJT pot fi mult mai mari comparativ cu FET-urile.

În general vorbind, FET-urile sunt mult mai rezistente din punct de vedere termic decât BJT-urile și, de asemenea, sunt adesea de dimensiuni mai mici în structură comparativ cu BJT-urile, ceea ce le face adecvate în mod specific pentru încorporarea ca circuit integrat (I_C)chipsuri.

Caracteristicile structurale ale unor FET-uri, pe de altă parte, le pot permite să fie mai sensibile la contactele fizice decât BJT-urile.

Mai multe relații BJT / JFET

• Pentru un BJT V_FI= 0,7 V este factorul important pentru a începe o analiză a configurației sale.
• În mod similar, parametrul I_G= 0 A este de obicei primul lucru luat în considerare pentru analiza unui circuit JFET.
• Pentru configurația BJT, I_Beste adesea primul factor care devine necesar să fie determinat.
• La fel, pentru JFET, este de obicei V_GS.

În acest articol ne vom concentra asupra JFET-urilor sau tranzistoarelor cu efect de câmp de joncțiune, în articolul următor vom discuta despre tranzistorul cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor sau MOS-FET.

CONSTRUCȚIA ȘI CARACTERISTICILE JFET-urilor

După cum am învățat, un JFET are 3 oportunități. Una dintre ele controlează fluxul de curent dintre celelalte două.

La fel ca și BJT-urile, și în JFET-urile dispozitivul cu canal n este utilizat mai proeminent decât omologii canalului p, deoarece n dispozitivele tind să fie mai eficiente și mai ușor de utilizat în comparație cu dispozitivul p.

În figura următoare putem vedea structura de bază sau construcția unui JFET cu canal n. Putem vedea că compoziția de tip n formează canalul principal în straturile de tip p.

Partea superioară a canalului de tip n este unită printr-un contact ohmic cu un termnal numit dren (D), în timp ce secțiunea inferioară a aceluiași canal se conectează, de asemenea, printr-un contact ohmic cu un alt terminal numit sursă (S).

Cuplul de materiale de tip p sunt împreună legate de terminalul denumit poartă (G). În esență, constatăm că terminalele de evacuare și sursă sunt unite la capetele canalului de tip n. Terminalul de poartă este unit cu o pereche de material cu canal p.

Când nu există tensiune aplicată pe un jfet, cele două joncțiuni ale acestuia sunt fără condiții de polarizare. În această situație există o regiune de epuizare pe fiecare joncțiune, așa cum este indicat în figura de mai sus, care arată destul de mult ca o regiune diodă p-n, fără nici o polarizare.

Analogia apei

Operațiunile de lucru și control ale unui JFET pot fi înțelese prin următoarea analogie a apei.

Aici, presiunea apei poate fi comparată cu magnitudinea tensiunii aplicate de la scurgere la sursă.

Debitul de apă poate fi comparat cu debitul de electroni. Gura robinetului imită terminalul sursă al JFET, în timp ce porțiunea superioară a robinetului în care este forțată apa reprezintă scurgerea JFET.

Butonul de atingere acționează ca Poarta JFET. Cu ajutorul unui potențial de intrare, acesta controlează fluxul de electroni (încărcare) de la scurgere la sursă, la fel cum butonul de la robinet controlează fluxul de apă pe deschiderea gurii.

Din structura JFET putem vedea că scurgerea și bornele sursă se află la capetele opuse ale canalului n și, deoarece termenul se bazează pe fluxul de electroni, putem scrie:

V_GS= 0 V, V_DSUnele valori pozitive

În Fig 5.4 putem vedea o tensiune pozitivă V_DSaplicat pe canalul n. Terminalul de poartă este legat direct de sursă pentru a crea o condiție V_GS= 0V. Acest lucru permite ca poarta și terminalele sursă să fie la un potențial identic și are ca rezultat o regiune de epuizare a capătului inferior al fiecărui material p, exact așa cum vedem în prima diagramă de mai sus, cu o condiție de lipsă de părtinire.

De îndată ce o tensiune V_DD(= V_DS) este aplicat, electronii sunt trageți către terminalul de scurgere, generând debitul convențional al curentului ID, așa cum este indicat în Fig 5.4.

Direcția fluxului de încărcare dezvăluie că scurgerea și curentul sursă sunt egale în mărime (I_D= Eu_S). Conform condițiilor descrise în Fig 5.4, debitul încărcăturii pare destul de nelimitat și afectat doar de rezistența canalului n dintre drenaj și sursă.

Puteți observa că regiunea de epuizare este mai mare în jurul secțiunii superioare a ambelor materiale de tip p. Această diferență de dimensiune a regiunii este explicată în mod ideal prin Fig. 5.5. Să ne imaginăm că avem o rezistență uniformă în canalul n, aceasta ar putea fi împărțită la secțiunile indicate în Fig. 5.5.

Actualul I_Dpoate construi intervalele de tensiune prin canal așa cum se arată în aceeași figură. Ca urmare, regiunea superioară a materialului de tip p va fi polarizată invers cu un nivel de aproximativ 1,5 V, regiunea inferioară fiind doar polarizată invers cu 0,5 V.

Punctul în care joncțiunea p-n este inversată de-a lungul întregului canal dă naștere la un curent de poartă cu zero amperi așa cum este afișat în aceeași figură. Această caracteristică care duce la I_G= 0 A este o caracteristică importantă a JFET.

Precum V_DSpotențialul este crescut de la 0 la unii volți, curentul crește conform legii lui Ohm și complotul lui I_Dlinia 5_DSpoate arăta așa cum s-a dovedit în Fig. 5.6.

Dreptul comparativ al graficului arată că pentru regiunile cu valoare redusă ale V_DS, rezistența este practic uniformă. Precum V_DScrește și se apropie de un nivel cunoscut sub numele de VP în Fig. 5.6, regiunile de epuizare se lărgesc așa cum este dat în Fig 5.4.

Acest lucru are ca rezultat o scădere aparentă a lățimii canalului. Calea de conducere scăzută duce la creșterea rezistenței, dând naștere curbei din Fig. 5.6.

Cu cât curba devine mai orizontală, cu atât este mai mare rezistența, ceea ce indică faptul că rezistența se îndreaptă spre ohmi „infiniti” în regiunea orizontală. Când V_DScrește într-o măsură în care s-ar părea că cele două regiuni de epuizare ar putea „contacta”, așa cum este afișat în Fig. 5.7, dă naștere unei situații cunoscute sub numele de ciupire.

Suma cu care V_DSdezvoltă această situație se numește ciupire tensiune și este simbolizată prin V._Pașa cum este prezentat în Fig. 5.6. În general, cuvântul pinch-off este înșelător, deoarece implică actualul I_Deste „ciupit” și scade la 0 A. După cum sa dovedit în Fig. 5.6, acest lucru nu pare evident în acest caz. Eu_Dpăstrează un nivel de saturație caracterizat ca I_DSSîn Fig. 5.6.

Adevărul este că un canal foarte mic continuă să existe, cu un curent de concentrație semnificativ ridicat.

Punctul în care ID-ul nu cade ciupire și păstrează nivelul de saturație indicat în Fig. 5.6 este confirmat cu următoarea dovadă:

Deoarece nu există curent de scurgere elimină posibilitatea unor niveluri potențiale diverse prin materialul cu canal n pentru determinarea cantităților schimbătoare de polarizare inversă de-a lungul joncțiunii p-n. Rezultatul final este pierderea distribuției regiunii de epuizare care a declanșat ciupire a începe cu.

Pe măsură ce creștem V_DSpeste V_P, regiunea de contact strâns în care cele două regiuni de epuizare se vor întâlni unele cu altele crește în lungime de-a lungul canalului. Cu toate acestea, nivelul de identificare continuă să fie esențial neschimbat.

Astfel momentul V_DSeste mai mare decât V_p, JFET capătă caracteristicile sursei curente.

După cum s-a dovedit în Fig 5.8, curentul într-un JFET este determinat la I_D= Eu_DSS, dar tensiunea V_DSmai mare decât VP este stabilită de sarcina conectată.

Selecția notării IDSS se bazează pe faptul că este curentul de scurgere la sursă având o legătură scurtcircuitată între poartă și sursă.

O investigație ulterioară ne oferă următoarea evaluare:

Eu_DSSeste cel mai mare curent de scurgere pentru un JFET și este stabilit de condițiile V_GS= 0 V și V_DS> | VP |.

Observați că în Fig. 5.6 V_GSeste 0V pentru întinderea completă a curbei. În secțiunile următoare vom învăța cum atributele din Fig. 5.6 devin influențate ca nivel de V_GSeste variat.

V_GS <0V

Volatajul aplicat peste poartă și sursă este semnificat ca VGS, care este responsabil pentru controlul operațiunilor JFET.

Dacă luăm exemplul unui BJT, la fel ca și curbele lui I_Cvs V_ACESTsunt determinate pentru diferite niveluri de I_B, în mod similar, curbele lui I_Dvs V_DSpentru diferite niveluri de V_GSpoate fi creat pentru un omolog JFET.

Pentru aceasta terminalul de poartă este setat la un potențial continuu mai scăzut sub nivelul potențialului sursă.

Referindu-ne la Fig.5.9 de mai jos, se aplică un -1V peste terminalele poartă / sursă pentru un V redus_DSnivel.

Obiectivul prejudecății potențiale negative V_GSeste de a dezvolta regiuni de epuizare asemănătoare situației V_GS= 0, dar la V redus semnificativ_DS.

Acest lucru face ca poarta să atingă un punct de saturație cu un nivel inferior de V_DSașa cum este indicat în Fig. 5.10 (V_GS= -1V).

Nivelul de saturatie corespunzator pentru I_Dpoate fi găsit a fi redus și, de fapt, continuă să scadă ca V_GSse face mai negativ.

Puteți vedea clar în Fig. 5.10 cum tensiunea de prindere continuă să scadă cu o formă parabolică ca V_GSdevine din ce în ce mai negativ.

În cele din urmă, când V_GS= -V_p, devine suficient de negativ pentru a stabili un nivel de saturație care este în cele din urmă 0 mA. La acest nivel, JFET este complet „dezactivat”.

Nivelul V_GSceea ce provoacă eu_Da ajunge la 0 mA se caracterizează prin V_GS= V_P, în care V_Peste o tensiune negativă pentru dispozitivele cu canal n și o tensiune pozitivă pentru JFET-urile cu canal p.

În mod obișnuit, puteți găsi cele mai multe foi de date JFET care arată ciupire tensiunea specificată ca V_{GS (oprit)}în loc de V_P.

Zona din partea dreaptă a locusului pinch-off din figura de mai sus este locul utilizat în mod convențional în amplificatoarele liniare pentru a obține un semnal fără distorsiuni. Această regiune este în general numită regiunea de curent constant, saturație sau amplificare liniară.

Rezistor controlat de tensiune

Zona care se află în partea stângă a locusului pinch-off din aceeași figură, se numește regiunea ohmică sau regiunea de rezistență controlată de tensiune.

În această regiune dispozitivul poate fi operat de fapt ca un rezistor variabil (de exemplu în aplicația de control automat a câștigului), cu rezistența sa controlată prin potențialul de poartă / sursă aplicat.

Puteți vedea că panta fiecărei curbe, care semnifică, de asemenea, rezistența la scurgere / sursă a JFET pentru V_DS Pse întâmplă să fie o funcție a V aplicat_GSpotenţial.

Pe măsură ce creștem VGS cu potențial negativ, panta fiecărei curbe devine din ce în ce mai orizontală, prezentând niveluri de rezistență în creștere proporțională.

Suntem capabili să obținem o bună aproximare inițială la nivelul rezistenței în raport cu tensiunea VGS, prin următoarea ecuație.

P-Channel JFET de lucru

Aspectul și construcția internă a unui canal JFET este exact identic cu cel al canalului n, cu excepția faptului că regiunile materialelor de tip p și n sunt inversate, după cum se arată mai jos:

Direcțiile fluxului curent pot fi, de asemenea, văzute ca inversate, împreună cu polaritățile reale ale tensiunii VGS și VDS. În cazul unui JFET cu canal p, canalul va fi constrâns ca răspuns la creșterea potențialului pozitiv pe poartă / sursă.

Notarea cu un indice dublu pentru V_DSva da naștere la tensiune negativă pentru V_DS, așa cum se arată pe caracteristicile din Fig.5.12. Aici, îl puteți găsi pe I_DSSla 6 mA, în timp ce o tensiune de prindere la V._GS= + 6V.

Vă rog să nu vă lăsați nedumeriți din cauza prezenței semnului dvs. minus pentru V_DS. Pur și simplu indică faptul că sursa are un potențial mai mare decât canalul de scurgere.

Puteți vedea că curbele pentru V mare_DSnivelurile cresc brusc la valori care par nerestricționate. Creșterea indicată, care este verticală, simbolizează o situație de defecțiune, ceea ce înseamnă că curentul prin dispozitivul de canal este controlat în totalitate de circuitele externe în acest moment.

Deși acest lucru nu este evident în Fig.5.10 pentru dispozitivul cu canal n, poate fi o posibilitate sub o tensiune suficient de mare.

Această regiune poate fi eliminată dacă V_{DS (max)}este notat din foaia de date a dispozitivului, iar dispozitivul este configurat astfel încât V real_DSvaloarea este mai mică decât această valoare notată pentru orice V_GS.