Junction Field Effect Transistorit
Junction Field Effect Transistorit ovat jänniteohjattuja puolijohdetransistoreja. Nämä ovat yksisuuntaisia transistoreita, joissa on kolme liitintä; viemäri, lähde ja portti. JFET:issä ei ole PN-liitoksia, vaan ne koostuvat puolijohdemateriaalien kanavista.
Rakentaminen ja luokitukset
JFETeillä on suuri kanava enemmistövarauksen kantajien virtaukselle. Tämä kanava tunnetaan substraattina. Substraatti voi olla P- tai N-tyyppistä materiaalia. Kaksi ulkoista kosketinta, jotka tunnetaan nimellä ohminen koskettimet, on sijoitettu kanavan molempiin päihin. JFETit luokitellaan niiden rakenteessa olevan substraatin puolijohdemateriaalin perusteella.
N-kanavan JFET-transistorit
Kanava on valmistettu N-tyypin epäpuhtausmateriaalista, kun taas portit koostuvat P-tyypin epäpuhtausmateriaalista. N-tyyppinen materiaali tarkoittaa, että viisiarvoiset epäpuhtaudet on seostettu ja suurin osa varauksenkuljettajista on kanavassa olevia vapaita elektroneja. N-kanavan JFET:ien perusrakenne ja symbolinen esitys on esitetty alla:
P-kanavan JFET-transistorit
Kanava koostuu P-tyypin epäpuhtausmateriaalista, kun taas portit koostuvat N-tyypin epäpuhtausmateriaalista. P-kanava tarkoittaa, että kanavaan on seostettu kolmiarvoisia epäpuhtauksia ja suurin osa varauksenkantajista on reikiä. P-Channel JFETin perusrakenne ja symbolinen esitys näkyy alla:
JFET:ien työskentely
JFET:itä kuvataan usein vesiletkuputken analogisesti. Veden virtaus putkien läpi on analoginen elektronien virtauksen kanssa JFET-kanavien kautta. Vesiputken puristaminen määrää virtaavan veden määrän. Samoin JFET:ien tapauksessa jännitteiden käyttö hilaliittimien yli päättää kanavan kaventumisesta tai leventämisestä varausten siirtämiseksi lähteestä viemäriin.
Kun käänteistä esijännitettä hilan ja lähteen yli käytetään, kanava kapenee samalla kun tyhjennyskerros kasvaa. Tätä toimintatapaa kutsutaan puristustilaksi. Tällainen kanavakäyttäytyminen on esitetty alla:
JFET-ominaisuuskäyrä
JFETit ovat tyhjennystilan laitteita, mikä tarkoittaa, että ne toimivat tyhjennyskerrosten leventämisessä tai kaventamisessa. Täydellisten toimintatilojen analysoimiseksi seuraavaa esijännitysjärjestelyä sovelletaan N-kanavan JFET:iin.
JFET-liittimissä käytetään kahta erilaista esijännitettä. VDS levitetään nielun ja lähteen väliin, kun taas VGS käytetään portin ja lähteen väliin, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty.
JFET toimii neljässä eri toimintatilassa, kuten alla on kuvattu.
1: Ohminen tila
Ohminen tila on normaali tila, jossa sen liittimiin ei kohdistu esijännitteitä. Siksi VGS = 0 ohmisessa tilassa. Tyhjennyskerroksen tulee olla hyvin ohut ja JFET toimii ohmisen elementin kuten vastuksen tavoin.
2: Puristustila
Katkaisutilassa hilan ja lähteen yli syötetään riittävä esijännite. Käytetty käänteinen esijännite venyttää tyhjennysalueen maksimitasolle ja siksi kanava käyttäytyy kuin avoin kytkin, joka vastustaa virran kulkua.
3: Kylläisyystila
Hila- ja lähdebias-jännite ohjaa virtaa JFET-kanavan yli. Virta vaihtelee biasointijännitteen muutoksen mukaan. Tyhjennys- ja lähdebiasjännitteellä on mitätön vaikutus tässä tilassa.
4: Erittelytila
Viemäri- ja lähdebias-jännite kasvaa tasolle, joka hajottaa tyhjennyskerroksen JFET-kanavassa. Tämä johtaa maksimivirtaan kanavan yli.
JFET-parametrien matemaattiset lausekkeet
Kyllästystiloissa JFETit siirtyvät johdintiloihin, joissa jännite vaihtelee. Siksi tyhjennysvirta voidaan arvioida. Lause tyhjennysvirran arvioimiseksi saadaan seuraavasti:
Kanava levenee tai kapenee hilajännitteiden avulla. Kanavan resistanssi suhteessa nielulähdejännitteen käyttöön ilmaistaan seuraavasti:
RDS voidaan laskea myös transkonduktanssivahvistuksen avulla, gm:
JFETin asetukset
JFETit voidaan kytkeä useilla tavoilla tulojännitteillä. Nämä kokoonpanot tunnetaan yhteisinä lähde-, yhteisportti- ja yhteisinä tyhjennyskokoonpanoina.
Yhteinen lähdemääritys
Yleisessä lähdekokoonpanossa JFET-lähde on maadoitettu ja tulo on kytketty porttiliittimeen, kun lähtö otetaan viemäristä. Tämä kokoonpano tarjoaa korkean tuloimpedanssin ja jännitteen vahvistustoiminnot. Tämä vahvistintilakokoonpano on yleisin kaikista JFET-kokoonpanoista. Saatu lähtö on 180 astetta epävaiheessa tulon kanssa.
Yhteinen portin kokoonpano
Yleisessä porttikokoonpanossa portti on maadoitettu, kun tulo on kytketty lähteeseen ja lähtö otetaan viemäristä. Koska portti on kytketty maahan, konfiguraatiossa on pieni tuloimpedanssi, mutta korkeampi lähdön impedanssi. Saatu lähtö on samassa vaiheessa tulon kanssa:
Yhteinen viemärikokoonpano
Yhteisessä nielussa tulo on kytketty porttiin, kun taas lähtö on kytketty lähdeliittimestä. Tämä konfiguraatio tarjoaa myös alhaisen tuloimpedanssin ja korkeamman lähtöimpedanssin, kuten tavallinen hilakonfiguraatio, mutta jännitteen vahvistus on tässä suunnilleen yksikkö.
Tämä konfiguraatio sopii myös yhteiseen lähteeseen, jossa tulo on kytketty porttiin, mutta yhteisen lähdekonfiguraation vahvistus on pienempi kuin yksikkö.
Sovellus – JFET-vahvistimen konfigurointi
JFETit voidaan saada toimimaan A-luokan vahvistimina, kun hilapääte on kytketty jännitteenjakajaverkkoon. Ulkoinen jännite syötetään lähdeliittimen yli, joka on enimmäkseen määritetty olemaan neljäsosa VDD:stä alla olevassa piirissä.
Lähdejännite voidaan siis ilmaista seuraavasti:
Myös lähdejännite voidaan laskea alla olevan lausekkeen avulla:
Tyhjennysvirta voidaan laskea yllä olevasta konfiguraatiosta seuraavasti:
Hilajännite voidaan saada vastusten R1 & R2 arvojen funktiona alla esitetyllä tavalla.
Esimerkki 1: V:n laskeminen DD
Jos V GS (pois) =-8V, I DSS = 24mA JFETille alla olevassa kokoonpanossa, laske V DD kuten kuvassa näkyy, kun R D = 400.
Siitä asti kun
Yllä oleva on VDS:n vähimmäisarvo, jotta JFET toimii vakiovirta-alueella, joten:
Myös,
Käyttämällä KVL:tä tyhjennyspiirissä:
Esimerkki 2: Määritä tyhjennysvirran arvo
Määritä nieluvirran arvo, kun VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA alle JFET-konfiguraatiossa.
Tyhjennysvirran lauseke on:
Johtopäätös
Junction Field Effect Transistorit ovat kolme terminaalista puolijohdelaitetta, jotka toimivat tyhjennysalueiden käyttäytymisen kanssa eri toimintatiloissa. Niissä ei ole PN-liitoksia, vaan ne on valmistettu puolijohdemateriaalien kanavista.