Το JFET είναι τρανζίστορ εφέ πεδίου Junction gate. Το κανονικό τρανζίστορ είναι μια τρέχουσα ελεγχόμενη συσκευή που χρειάζεται ρεύμα για πόλωση, ενώ το JFET είναι μια ελεγχόμενη τάση συσκευή. Όπως και τα MOSFET, όπως είδαμε και στο προηγούμενο σεμινάριό μας, το JFET διαθέτει τρία τερματικά Gate, Drain και Source.
Το JFET είναι ένα βασικό στοιχείο για χειριστήρια τάσης ακριβείας σε αναλογικά ηλεκτρονικά. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το JFET ως αντίσταση ελεγχόμενης τάσης ή ως διακόπτη, ή ακόμα και να κάνουμε έναν ενισχυτή χρησιμοποιώντας το JFET. Είναι επίσης μια ενεργειακά αποδοτική έκδοση για την αντικατάσταση των BJTs. Το JFET παρέχει χαμηλή κατανάλωση ισχύος και αρκετά χαμηλές απορρίψεις ισχύος, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του κυκλώματος. Παρέχει επίσης πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου που είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των BJTs.
Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι τρανζίστορ, στην οικογένεια FET, υπάρχουν δύο υπότυποι: JFET και MOSFET. Έχουμε ήδη συζητήσει για το MOSFET στο προηγούμενο σεμινάριο, εδώ θα μάθουμε για το JFET.
Τύποι JFET
Το ίδιο με το MOSFET έχει δύο υποτύπους - N Channel JFET και P Channel JFET.
Το σχηματικό μοντέλο καναλιού N JFET και το κανάλι P JFET φαίνονται στην παραπάνω εικόνα. Το βέλος υποδηλώνει τους τύπους JFET. Το βέλος που δείχνει στην πύλη υποδηλώνει ότι το JFET είναι N-κανάλι και από την άλλη το βέλος από την πύλη δείχνει P-channel JFET. Αυτό το βέλος δείχνει επίσης την πολικότητα της διασταύρωσης PN, η οποία σχηματίζεται μεταξύ του καναλιού και της πύλης. Είναι ενδιαφέρον ότι ένα αγγλικό μνημονικό είναι αυτό, ότι το βέλος μιας συσκευής N-Channel δείχνει "Points i n ".
Το ρεύμα που ρέει μέσω της αποχέτευσης και της πηγής εξαρτάται από την τάση που εφαρμόζεται στον τερματικό πύλης. Για το κανάλι N JFET, η τάση πύλης είναι αρνητική και για το κανάλι P JFET η τάση πύλης είναι θετική.
Κατασκευή JFET
Στην παραπάνω εικόνα, μπορούμε να δούμε τη βασική κατασκευή ενός JFET. Το N-Channel JFET αποτελείται από υλικό τύπου P σε υπόστρωμα τύπου Ν, ενώ υλικά τύπου Ν χρησιμοποιούνται στο υπόστρωμα τύπου ρ για το σχηματισμό καναλιού P JFET.
Το JFET κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας το μακρύ κανάλι υλικού ημιαγωγών. Ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής, εάν το JFET περιέχει μεγάλο αριθμό φορέων θετικού φορτίου (αναφέρεται ως τρύπες) είναι JFET τύπου P και εάν έχει μεγάλο αριθμό φορέων αρνητικού φορτίου (αναφέρεται ως ηλεκτρόνια) ονομάζεται τύπος Ν JFET.
Στο μακρύ κανάλι υλικού ημιαγωγών, οι επαφές Ohmic σε κάθε άκρο δημιουργούνται για να σχηματίσουν τις συνδέσεις Source and Drain. Μια διασταύρωση PN σχηματίζεται στη μία ή και στις δύο πλευρές του καναλιού.
Εργασία του JFET
Ένα καλύτερο παράδειγμα για να κατανοήσετε τη λειτουργία ενός JFET είναι να φανταστείτε τον σωλήνα του σωλήνα κήπου. Ας υποθέσουμε ότι ένας σωλήνας κήπου παρέχει μια ροή νερού μέσα από αυτό. Εάν συμπιέσουμε τον εύκαμπτο σωλήνα, η ροή του νερού θα είναι μικρότερη και σε ένα ορισμένο σημείο εάν την συμπιέσουμε εντελώς θα υπάρχει μηδενική ροή νερού. Το JFET λειτουργεί ακριβώς με αυτόν τον τρόπο. Εάν αλλάξουμε τον εύκαμπτο σωλήνα με JFET και τη ροή του νερού με ένα ρεύμα και στη συνέχεια κατασκευάσουμε το κανάλι μεταφοράς ρεύματος, θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την τρέχουσα ροή.
Όταν δεν υπάρχει τάση σε όλη την πύλη και την πηγή, το κανάλι γίνεται μια ομαλή διαδρομή που είναι ανοιχτή για να ρέουν ηλεκτρόνια. Αλλά το αντίστροφο συμβαίνει όταν εφαρμόζεται μια τάση μεταξύ πύλης και πηγής σε αντίστροφη πολικότητα, που κάνει τη διασταύρωση PN να αντιστραφεί μεροληπτική και να κάνει το κανάλι στενότερο αυξάνοντας το στρώμα εξάντλησης και θα μπορούσε να θέσει το JFET σε περιοχή αποκοπής ή αποκοπής.
Στην παρακάτω εικόνα μπορούμε να δούμε τη λειτουργία κορεσμού και τη λειτουργία τσίμπημα και θα καταλάβουμε ότι το στρώμα εξάντλησης έγινε ευρύτερο και η τρέχουσα ροή μειώνεται.
Αν θέλουμε να απενεργοποιήσουμε ένα JFET, πρέπει να παρέχουμε μια αρνητική πύλη στην τάση πηγής που δηλώνεται ως V GS για ένα JFET τύπου Ν. Για ένα JFET τύπου P, πρέπει να παρέχουμε θετικό V GS.
Το JFET λειτουργεί μόνο στη λειτουργία εξάντλησης, ενώ τα MOSFET έχουν λειτουργία εξάντλησης και βελτίωσης.
Καμπύλη χαρακτηριστικών JFET
Στην παραπάνω εικόνα, ένα JFET προκαλείται από μεταβλητή παροχή DC, η οποία θα ελέγχει το V GS ενός JFET. Εφαρμόσαμε επίσης τάση σε όλη την Αγωγό και την Πηγή Χρησιμοποιώντας τη μεταβλητή V GS, μπορούμε να σχεδιάσουμε την καμπύλη IV ενός JFET.
Στην παραπάνω εικόνα IV, μπορούμε να δούμε τρία γραφήματα, για τρεις διαφορετικές τιμές τάσεων V GS, 0V, -2V και -4V. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές περιοχές Ohmic, κορεσμού και κατανομής. Κατά τη διάρκεια της περιοχής Ohmic, το JFET ενεργεί σαν μια αντίσταση ελεγχόμενη από τάση, όπου η ροή ρεύματος ελέγχεται από την τάση που εφαρμόζεται σε αυτήν. Μετά από αυτό, το JFET μπαίνει στην περιοχή κορεσμού όπου η καμπύλη είναι σχεδόν ευθεία. Αυτό σημαίνει ότι η τρέχουσα ροή είναι αρκετά σταθερή όπου το V DS δεν θα παρεμβαίνει στην τρέχουσα ροή. Αλλά όταν το V DS είναι πολύ περισσότερο από την ανοχή, το JFET μπαίνει στη λειτουργία ανάλυσης όπου η τρέχουσα ροή είναι ανεξέλεγκτη.
Αυτή η καμπύλη IV είναι σχεδόν ίδια για το κανάλι P JFET, αλλά υπάρχουν λίγες διαφορές. Το JFET θα περάσει σε κατάσταση διακοπής όταν η τάση V GS και Pinch ή (V P) είναι ίδια. Επίσης, όπως στην παραπάνω καμπύλη, για το κανάλι N JFET αυξάνεται το ρεύμα αποστράγγισης όταν αυξάνεται το V GS. Αλλά για το κανάλι P JFET το ρεύμα αποστράγγισης μειώνεται όταν αυξάνεται το V GS.
Πόλωση του JFET
Χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι τεχνικών για να προκαταλάβει το JFET με τον κατάλληλο τρόπο. Από διάφορες τεχνικές, χρησιμοποιούνται παρακάτω τρεις:
- Διορθώθηκε η τεχνική DC Biasing
- Τεχνική αυτοδιάθεσης
- Πιθανή διαχωριστική πόλωση
Διορθώθηκε η τεχνική DC Biasing
Στην τεχνική σταθερής πόλωσης DC ενός καναλιού N JFET, η πύλη του JFET συνδέεται με τέτοιο τρόπο ώστε το V GS του JFET να παραμένει αρνητικό συνεχώς. Καθώς η αντίσταση εισόδου ενός JFET είναι πολύ υψηλή, δεν παρατηρούνται εφέ φόρτωσης στο σήμα εισόδου. Η τρέχουσα ροή μέσω της αντίστασης R1 παραμένει μηδέν. Όταν εφαρμόζουμε ένα σήμα AC στον πυκνωτή εισόδου C1, το σήμα εμφανίζεται κατά μήκος της πύλης. Τώρα, αν υπολογίσουμε την πτώση τάσης στο R1, σύμφωνα με τον νόμο Ohms θα είναι V = I x R ή V drop = Ρεύμα πύλης x R1. Καθώς το ρεύμα που ρέει στην πύλη είναι 0, η πτώση τάσης κατά μήκος της πύλης παραμένει μηδέν. Έτσι, με αυτή την τεχνική πόλωσης, μπορούμε να ελέγξουμε την τρέχουσα διαρροή JFET με απλά αλλάζοντας τη σταθερή τάση κατά συνέπεια την αλλαγή της V GS.
Τεχνική αυτοδιάθεσης
Στην τεχνική αυτο-πόλωσης, προστίθεται μία αντίσταση στον πείρο της πηγής. Η πτώση τάσης στην αντίσταση πηγής R2 δημιουργεί το V GS για να προκαλέσει πόλωση στην τάση. Σε αυτήν την τεχνική, το ρεύμα πύλης είναι μηδέν ξανά. Η τάση πηγής καθορίζεται από τον ίδιο νόμο ohms V = I x R. Επομένως, τάση πηγής = Ρεύμα αποστράγγισης x αντίσταση πηγής. Τώρα, η τάση πύλης προς πηγή μπορεί να προσδιοριστεί από τις διαφορές μεταξύ τάσης πύλης και τάσης πηγής.
Δεδομένου ότι η τάση πύλης είναι 0 (καθώς η ροή ρεύματος πύλης είναι 0, σύμφωνα με το V = IR, τάση πύλης = ρεύμα πύλης x αντίσταση πύλης = 0) το V GS = 0 - Ρεύμα πύλης x Αντίσταση πηγής. Επομένως δεν υπάρχει εξωτερική πηγή πόλωσης. Η πόλωση δημιουργείται από μόνη της, χρησιμοποιώντας την πτώση τάσης στην αντίσταση πηγής.
Πιθανή διαχωριστική πόλωση
Σε αυτήν την τεχνική, χρησιμοποιείται μια πρόσθετη αντίσταση και το κύκλωμα τροποποιείται ελαφρώς από την τεχνική αυτο-πόλωσης, ένας πιθανός διαχωριστής τάσης χρησιμοποιώντας τα R1 και R2 παρέχει την απαιτούμενη πόλωση DC για το JFET. Η πτώση τάσης κατά μήκος της αντίστασης πηγής πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση πύλης διαχωριστή αντίστασης. Με αυτόν τον τρόπο το V GS παραμένει αρνητικό.
Έτσι λοιπόν το JFET είναι κατασκευασμένο και προκατειλημμένο.