Junction Field Effect Transistorer
Junction Field Effect Transistorer er spændingsstyrede halvlederbaserede transistorer. Disse er ensrettede transistorer med tre terminaler; afløb, kilde og låge. JFET'er har ikke PN-forbindelser, men de er sammensat af kanaler af halvledermaterialer.
Konstruktion & Klassifikationer
JFET'er har en stor kanal til flow af flertalsladningsbærere. Denne kanal er kendt som substrat. Substratet kan være af P-type eller N-type materiale. To eksterne kontakter kendt som ohmske kontakter er placeret på tværs af de to ender af kanalen. JFET'er er klassificeret baseret på substratets halvledermateriale i deres konstruktion.
N-kanal JFET transistorer
Kanalen er lavet af N-type urenhedsmateriale, mens porte er sammensat af P-type urenhedsmateriale. N-type materiale betyder, at de pentavalente urenheder er blevet dopet, og størstedelen af ladningsbærerne er frie elektroner i kanalen. Den grundlæggende konstruktion og symbolske præsentation af N-Channel JFET'er er vist nedenfor:
P-kanal JFET transistorer
Kanalen er sammensat af P-type urenhedsmateriale, mens porte er sammensat af N-type urenhedsmateriale. P-kanal betyder, at trivalente urenheder er blevet dopet i kanalen, og størstedelens ladningsbærere er huller. Den grundlæggende konstruktion og symbolske præsentation af P-Channel JFET er vist nedenfor:
Arbejde med JFET'er
JFET'er beskrives ofte med analogi af vandslangerør. Strømmen af vand gennem rør er analog med strømmen af elektroner gennem kanaler af JFET'er. Klemningen af vandrøret bestemmer mængden af vandgennemstrømning. Tilsvarende, i tilfælde af JFET'er, afgør anvendelsen af spændinger over gateterminaler indsnævringen eller udvidelsen af kanalen for bevægelse af ladninger fra source til drain.
Når omvendt forspænding over gate og kilde påføres, indsnævres kanalen, mens udtømningslaget øges. Denne driftstilstand kaldes pinch-off-tilstand. Denne form for kanaladfærd er repræsenteret nedenfor:
JFET-karakteristikkurve
JFET'er er enheder i udtømningstilstand, hvilket betyder, at de arbejder på at udvide eller indsnævre udtømningslag. For at analysere de komplette driftstilstande anvendes følgende forspændingsarrangement på tværs af en N-kanal JFET.
To forskellige forspændingsspændinger påføres på JFET-terminalerne. VDS påføres mellem afløb og kilde, mens VGS påføres mellem gate og kilde som vist i ovenstående figur.
JFET skal fungere i fire forskellige driftsformer, som beskrevet nedenfor.
1: Ohmisk tilstand
Ohmisk tilstand er en normal tilstand uden nogen forspænding påført over dens terminaler. Derfor er VGS=0 i ohmsk tilstand. Udtømningslaget skal være meget tyndt, og JFET fungerer som et ohmsk element, såsom en modstand.
2: Pinch-off-tilstand
I afskæringstilstand påføres tilstrækkelig forspænding over porten og kilden. Den påførte omvendte forspænding strækker udtømningsområdet til maksimalt niveau, og derfor opfører kanalen sig som en åben kontakt, der modstår strømmen.
3: Mætningstilstand
Gate- og kildeforspændingen styrer strømstrømmen over JFET-kanalen. Strømmen varierer med ændringen i forspændingsspændingen. Afløbs- og kildeforspændingen har ubetydelig effekt i denne tilstand.
4: Nedbrydningstilstand
Drain- og source-biasspændingen stiger til et niveau, der nedbryder udtømningslaget i JFET'ers kanal. Dette fører til maksimal strøm gennem kanalen.
Matematiske udtryk for JFETs parametre
I mætningstilstande går JFET'erne i ledertilstande, hvor spændingen varierer strømmen. Derfor kan drænstrømmen evalueres. Udtrykket for evaluering af drænstrøm er givet ved:
Kanalen udvides eller indsnævres ved påføring af portspændinger. Kanalens modstand med hensyn til påføring af drænkildespænding er udtrykt som:
RDS kan også beregnes gennem transkonduktansforstærkning, gm:
JFETs konfigurationer
JFET'er kan forbindes på en række forskellige måder med indgangsspændingerne. Disse konfigurationer er kendt som common source, common gate og common drain-konfigurationer.
Fælles kildekonfiguration
I almindelig kildekonfiguration er kilden til JFET jordet, og indgangen er forbundet til portterminalen, mens udgangen tages fra afløbet. Denne konfiguration tilbyder høj indgangsimpedans og spændingsforstærkningsfunktioner. Denne forstærkertilstandskonfiguration er den mest almindelige af alle JFET-konfigurationer. Det opnåede output er 180 grader ude af fase med input.
Fælles portkonfiguration
I en almindelig portkonfiguration er porten jordet, mens input er forbundet til source, og output tages fra drain. Da porten er forbundet med jord, har konfigurationen lav indgangsimpedans, men højere impedans ved udgangen. Det opnåede output er i fase med input:
Fælles afløbskonfiguration
I et fælles afløb er indgangen forbundet til porten, mens udgangen er forbundet fra kildeterminalen. Denne konfiguration tilbyder også lav indgangsimpedans og højere udgangsimpedans ligesom almindelig gate-konfiguration, men spændingsforstærkningen er omtrent ens her.
Denne konfiguration matcher også med fælles kilde, hvor input er forbundet til gate, men fælles kildekonfiguration har forstærkning mindre end enhed.
Anvendelse – JFETs forstærkerkonfiguration
JFET'er kan fås til at fungere som klasse-A-forstærkere, når gateterminalen er forbundet med et spændingsdelernetværk. En ekstern spænding påføres over kildeterminalen, som for det meste er konfigureret til at være en fjerdedel af VDD i nedenstående kredsløb.
Kildespændingen kan derfor udtrykkes som:
Kildespændingen kan også beregnes gennem nedenstående udtryk:
Afløbsstrømmen kan beregnes ud fra ovenstående konfiguration som nedenfor:
Portspændingen kan opnås som en funktion af værdierne af modstande R1 & R2 som angivet nedenfor.
Eksempel 1: Beregning af V DD
Hvis V GS(fra) =-8V, I DSS =24mA for JFET i nedenstående konfiguration, beregn V DD som vist på figuren, når R D =400.
Siden
Ovenstående skal være minimumsværdien af VDS for JFET til at fungere i konstant strømområde, derfor:
Også,
Ved at anvende KVL ved afløbskredsløb:
Eksempel 2: Bestem værdien af drænstrøm
Bestem værdien af drænstrøm, når VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA for under JFET-konfiguration.
Udtrykket for drænstrøm er:
Konklusion
Junction Field Effect Transistorer er tre terminale halvlederenheder, der arbejder med opførsel af udtømningsområderne i forskellige driftstilstande. De har ikke PN-forbindelser, men de er lavet af kanaler af halvledermaterialer.