Переходные полевые транзисторы
Переходные полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые транзисторы, управляемые напряжением. Это однонаправленные транзисторы с тремя выводами; сток, исток и ворота. JFET не имеют PN-переходов, но состоят из каналов полупроводниковых материалов.
Конструкция и классификации
JFET имеют большой канал для потока основных носителей заряда. Этот канал известен как субстрат. Подложка может быть из материала P-типа или N-типа. Два внешних контакта, известные как омические контакты, расположены на двух концах канала. JFET классифицируются в зависимости от полупроводникового материала подложки их конструкции.
N-канальные JFET-транзисторы
Канал изготовлен из примесного материала N-типа, а затворы - из примесного материала P-типа. Материал N-типа означает, что пятивалентные примеси легированы, а основными носителями заряда являются свободные электроны в канале. Базовая конструкция и символическое представление N-канальных JFET показаны ниже:
P-канальные JFET-транзисторы
Канал состоит из примесного материала P-типа, а затворы - из примесного материала N-типа. P-канал означает, что в канал легированы трехвалентные примеси, а основными носителями заряда являются дырки. Базовая конструкция и символическое представление P-Channel JFET показаны ниже:
Работа JFET
JFET часто описываются по аналогии с водяным шлангом. Поток воды по трубам аналогичен потоку электронов по каналам JFET. Сжатие водопроводной трубы определяет количество потока воды. Аналогично, в случае с JFET приложение напряжения к выводам затвора определяет сужение или расширение канала движения зарядов от истока к стоку.
Когда прикладывается напряжение обратного смещения к затвору и истоку, канал сужается, а слой обеднения увеличивается. Этот режим работы называется режимом отсечки. Такое поведение канала представлено ниже:
Кривая характеристик JFET
JFET представляют собой устройства в режиме истощения, что означает, что они работают на расширение или сужение слоев истощения. Для анализа всех режимов работы к N-канальному полевому транзистору применяется следующая схема смещения.
На клеммы JFET подаются два разных напряжения смещения. VDS применяется между стоком и истоком, а VGS применяется между затвором и истоком, как показано на рисунке выше.
JFET должен работать в четырех различных режимах, как описано ниже.
1: Омический режим
Омический режим — это нормальное состояние без каких-либо смещающих напряжений, приложенных к его клеммам. Следовательно, VGS=0 в омическом режиме. Обедненный слой должен быть очень тонким, а JFET работает как омический элемент, например резистор.
2: Режим отсечения
В режиме отсечки на затвор и исток подается достаточное напряжение смещения. Приложенное напряжение обратного смещения растягивает область истощения до максимального уровня, и поэтому канал ведет себя как разомкнутый переключатель, сопротивляющийся протеканию тока.
3: Режим насыщения
Напряжение смещения затвора и истока контролирует ток через канал JFET. Ток меняется с изменением напряжения смещения. Напряжение смещения стока и истока в этом режиме оказывает незначительное влияние.
4: Режим поломки
Напряжение смещения стока и истока увеличивается до уровня, при котором разрушается слой обеднения в канале JFET. Это приводит к максимальному прохождению тока через канал.
Математические выражения для параметров JFET
В режимах насыщения JFET переходят в режим проводника, где напряжение изменяет ток. Таким образом, можно оценить ток стока. Выражение для оценки тока стока имеет вид:
Канал расширяется или сужается при приложении напряжения на затворе. Сопротивление канала относительно приложения напряжения сток-исток выражается как:
RDS также можно рассчитать через коэффициент усиления крутизны, гм:
Конфигурации JFET
JFET могут быть подключены к входным напряжениям различными способами. Эти конфигурации известны как конфигурации с общим истоком, общим затвором и общим стоком.
Общая конфигурация источника
В конфигурации с общим истоком исток JFET заземлен, а вход подключен к клемме затвора, а выход берется из стока. Эта конфигурация обеспечивает высокий входной импеданс и функции усиления напряжения. Эта конфигурация режима усилителя является наиболее распространенной из всех конфигураций JFET. Полученный выходной сигнал сдвинут по фазе со входным на 180 градусов.
Конфигурация общих ворот
В общей конфигурации затвора затвор заземлен, в то время как вход подключен к истоку, а выход берется из стока. Поскольку затвор соединен с землей, конфигурация имеет низкий входной импеданс, но более высокий выходной импеданс. Полученный выходной сигнал находится в фазе с входным:
Конфигурация общего дренажа
В общем стоке вход подключен к затвору, а выход подключен к клемме истока. Эта конфигурация также обеспечивает низкий входной импеданс и более высокий выходной импеданс, как и конфигурация с обычным затвором, но коэффициент усиления по напряжению здесь примерно равен единице.
Эта конфигурация также соответствует общему источнику, где вход подключен к затвору, но конфигурация с общим источником имеет коэффициент усиления меньше единицы.
Приложение – конфигурация усилителя JFET
JFET можно заставить работать как усилители класса A, когда вывод затвора подключен к сети делителя напряжения. На клемму источника подается внешнее напряжение, которое в основном настроено на одну четверть VDD в схеме ниже.
Таким образом, напряжение источника можно выразить как:
Кроме того, напряжение источника можно рассчитать с помощью приведенного ниже выражения:
Ток стока можно рассчитать на основе приведенной выше конфигурации, как показано ниже:
Напряжение затвора можно получить как функцию номиналов резисторов R1 и R2, как показано ниже.
Пример 1: Вычисление V ДД
Если В GS(выкл.) =-8В, я ДСС = 24 мА для JFET в конфигурации ниже, рассчитайте В ДД как показано на рисунке, когда R Д =400.
С
Вышеупомянутое значение должно быть минимальным значением VDS для того, чтобы JFET работал в области постоянного тока, поэтому:
Также,
Применяя КВЛ в цепи стока:
Пример 2: Определение значения тока стока
Определите значение тока стока, когда VGS=3В, VGS(Off)=-5В, IDSS=2мА для конфигурации ниже JFET.
Выражение для тока стока:
Заключение
Переходные полевые транзисторы представляют собой три терминальных полупроводниковых устройства, которые работают с поведением областей обеднения в разных режимах работы. Они не имеют PN-переходов, но изготовлены из каналов полупроводниковых материалов.