Fälteffekttransistorer (FET)

De fält-effekt transistor (FET) är en elektronisk enhet där en elektriskt fält används för att reglera strömmen. För att genomföra detta appliceras en potentialskillnad över enhetens grind- och källanslutningar, vilket förändrar ledningsförmågan mellan avlopps- och källanslutningarna och får en kontrollerad ström att strömma över dessa terminaler.

FET kallas unipolära transistorer eftersom dessa är utformade för att fungera som enheter med en enda bärare. Du hittar olika typer av fälteffekttransistorer tillgängliga.

Symbol

De grafiska symbolerna för n-kanal och p-kanal JFET kan visualiseras i följande figurer.

Du märker tydligt att pilmarkeringarna som pekar inåt för n-kanalanordningen för att indikera riktningen i vilken jag_G(grindström) ska strömma när p-n-korsningen var förspänd.

Vid en p-kanalanordning är förhållandena identiska förutom skillnaden i pilens symbol.

Skillnad mellan FET och BJT

Fälteffekttransistorn (FET) är en treterminalanordning som är utformad för ett brett spektrum av kretsapplikationer som kompletterar, till en hög nivå, de för BJT-transistorn.

Även om du hittar betydande avvikelser mellan BJT och JFET, finns det faktiskt flera matchande egenskaper som kommer att pratas om i följande diskussioner. Huvudskillnaden mellan dessa anordningar är BJT är en strömstyrd anordning som visas i figur 5.1a, medan JFET-transistorn är en spänningsstyrd anordning som indikeras i figur 5.1b.

Enkelt uttryckt, det nuvarande jag_Ci Fig. 5.1a är en omedelbar funktion av nivån på I_B. För FET är strömmen I en funktion av spänningen V._GSges till ingångskretsen som visas i figur 5.1b.

I båda fallen styrs utgångskretsens ström av en parameter för ingångskretsen. I en situation en strömnivå och i den andra en applicerad spänning.

Precis som npn och pnp för bipolära transistorer hittar du n-kanal och p-kanal fält-effekt transistorer. Men du bör komma ihåg att BJT-transistorn är en bipolär enhet, prefixet bi- vilket indikerar att ledningsnivån är en funktion av två laddningsbärare, elektroner och hål.

FET å andra sidan är en unipolär enhet som enbart beror på antingen elektron (n-kanal) eller hål (p-kanal) ledning.

Uttrycket 'fälteffekt' kan förklaras så här: vi alla är medvetna om kraften hos en permanentmagnet för att attrahera metallfiler mot magneten utan någon fysisk kontakt. Ganska på ett liknande sätt inuti FET skapas ett elektriskt fält av de befintliga laddningarna som påverkar ledningsledningen för utgångskretsen utan att ha någon direkt kontakt mellan de styrande och kontrollerade kvantiteterna. Förmodligen en av de viktigaste funktionerna i FET är dess höga ingångsimpedans.

Med en storlek från 1 till många hundra megohms överträffar den signifikant de normala ingångsmotståndsområdena för BJT-konfigurationerna, ett extremt viktigt attribut när man utvecklar linjära AC-förstärkarmodeller.

BJT har emellertid en större känslighet för variationer i insignalen. Det betyder att förändringen i utströmmen ofta är betydligt mer för BJT än FET för samma mängd förändring av deras ingångsspänningar.

På grund av detta kan standard växelspänningsvinster för BJT-förstärkare vara mycket högre jämfört med FET.

Generellt sett är FET: er betydligt mer termiskt motståndskraftiga än BJT: er och har ofta mindre struktur i jämförelse med BJT, vilket gör dem särskilt lämpliga för inbäddning som integrerad krets (I_C)pommes frites.

De strukturella egenskaperna hos vissa FET kan å andra sidan göra det möjligt för dem att vara extra känsliga för fysiska kontakter än BJT.

Mer BJT / JFET-förhållande

• För en BJT V_VARA= 0,7 V är den viktiga faktorn för att starta en analys av dess konfiguration.
• På samma sätt är parametern I_G= 0 A är ofta det första som beaktas för analysen av en JFET-krets.
• För BJT-konfigurationen, I_Bär ofta den första faktorn som blir nödvändig för att bestämmas.
• På samma sätt för JFET är det vanligtvis V_GS.

I den här artikeln kommer vi att fokusera på JFETs eller korsningsfälteffekttransistorer, i nästa artikel kommer vi att diskutera om metalloxid-halvledar-fälteffekt-transistor eller MOS-FET.

KONSTRUKTION OCH EGENSKAPER FÖR JFET

Som vi lärde oss earliet har en JFET tre leads. En av dem styr strömflödet mellan de andra två.

Precis som BJT: er, i JFETs används också n-kanalanordningen mer framträdande än p-kanalens motsvarigheter, eftersom n-enheter tenderar att vara mer effektiva och användarvänliga jämfört med p-enheten.

I följande figur kan vi se den grundläggande strukturen eller konstruktionen av en n-kanal JFET. Vi kan se att n-typkompositionen bildar huvudkanalen över p-typskikten.

Den övre delen av n-typkanalen är förenad genom en ohmsk kontakt med en terminal som heter avloppet (D), medan den nedre delen av samma kanal också är ansluten genom en ohmisk kontakt med en annan terminal som heter källan (S).

Paret av p-typmaterial är tillsammans kopplade till terminalen som kallas grinden (G). I huvudsak finner vi att avlopps- och källanslutningarna är förenade med ändarna av n-typkanalen. Portterminalen är förenad med ett par p-kanalmaterial.

När ingen spänning appliceras över en jfet är dess två p-n-korsningar utan förspänningsförhållanden. I denna situation finns det en utarmningsregion vid varje korsning som anges i figuren ovan, som ser ut som en diod p-n-region utan någon förspänning.

Vattenanalogi

Arbets- och kontrolloperationerna för en JFET kan förstås genom följande vattenanalogi.

Här kan vattentrycket jämföras med den applicerade spänningsstorleken från avloppet mot källan.

Flödet av vatten kan jämföras med flödet av elektroner. Kranens mynning imiterar JFETs källterminal, medan den övre delen av kranen där vattnet tvingas in visar JFETs avlopp.

Kranvredet fungerar som JFETs port. Med hjälp av en ingångspotential styr den elektronflödet (laddning) från avloppet till källan, precis som kranratten styr flödet av vatten på munöppningen.

Från JFET-strukturen kan vi se att avloppet och källanslutningarna är i motsatta ändar av n-kanalen, och eftersom termen är baserad på elektronflöde kan vi skriva:

V_GS= 0 V, V._DSNågot positivt värde

I figur 5.4 kan vi se en positiv spänning V._DSappliceras över n-kanalen. Portterminalen är direkt ansluten till källan för att skapa ett tillstånd V_GS= 0V. Detta gör det möjligt för grinden och källterminalerna att ha identisk potential och resulterar i en nedre ändutarmningsregion för varje p-material, exakt som vi ser i det första diagrammet ovan med ett icke-bias-tillstånd.

Så snart en spänning V_DD(= V_DS) appliceras, dras elektroner mot avloppsterminalen, vilket genererar det konventionella flödet av ström-ID, såsom anges i figur 5.4.

Riktningen för laddningens flöde avslöjar att avloppet och källströmmen är lika stora (I_D= Jag_S). Enligt förhållandena som visas i figur 5.4 ser laddningsflödet ganska obegränsat ut och påverkas endast av motståndet hos n-kanalen mellan avloppet och källan.

Du kan se att utarmningsområdet är större runt den övre delen av båda p-typmaterialen. Denna skillnad i regionens storlek förklaras idealiskt genom figur 5.5. Låt oss föreställa oss att ha ett enhetligt motstånd i n-kanalen, detta kan delas upp till de sektioner som anges i figur 5.5.

Det nuvarande jag_Dkan bygga spänningsområdena genom kanalen enligt vad som anges i samma figur. Som ett resultat kommer det övre området av p-typmaterialet att vara omvänd förspänt med en nivå på cirka 1,5 V, varvid det nedre området bara är förspänt med 0,5 V.

Punktet att p-n-korsningen är omvänd förspänd längs hela kanalen ger upphov till en grindström med noll ampere som visas i samma figur. Denna egenskap som leder till jag_G= 0 A är en viktig egenskap hos JFET.

Som V_DSpotentialen ökas från 0 till en del volt, strömmen ökar enligt Ohms lag och plot av I_Drad 5_DSkan se ut som bevisat i fig. 5.6.

Den jämförande rätheten för planeringen visar att för lågvärdesregionerna av V_DS, motståndet är i grunden enhetligt. Som V_DSstiger och närmar sig en nivå som kallas VP i figur 5.6, utvidgningsregionerna vidgas som anges i figur 5.4.

Detta resulterar i en uppenbar sänkning av kanalbredden. Den minskade ledningsvägen leder till att motståndsökningen ger kurvan i figur 5.6.

Ju mer horisontell kurvan blir desto högre är motståndet, vilket indikerar att motståndet når mot 'oändliga' ohm i det horisontella området. När V_DSökar i en utsträckning där det verkar som om de två uttömningsregionerna kan 'komma i kontakt' såsom visas i fig. 5.7, ger upphov till en situation som kallas nypning.

Beloppet med vilket V_DSutvecklar denna situation kallas nypa av spänning och den symboliseras av V_Psom presenteras i figur 5.6. I allmänhet är ordet nypa vilseledande eftersom det antyder det nuvarande jag_D'kläms av' och faller till 0 A. Som bevisat i fig. 5.6 ser detta knappast tydligt ut i detta fall. Jag_Dbehåller en mättnadsnivå som karaktäriseras som I_DSSi figur 5.6.

Sanningen är att en mycket liten kanal fortsätter att existera, med en ström med betydligt hög koncentration.

Den punkt som ID inte tappar vid nypa av och bevarar mättnadsnivån som anges i fig. 5.6 bekräftas med följande bevis:

Eftersom det inte finns någon dräneringsström elimineras möjligheten till olika potentiella nivåer genom n-kanalmaterialet för att bestämma de förändrade mängderna av omvänd förspänning längs p-n-korsningen. Slutresultatet blev förlust av utarmningsregionens fördelning som utlöstes nypa av till att börja med.

När vi ökar V_DSovanför V_P, den nära kontaktregionen där de två utarmningsregionerna kommer att möta varandra öka längden längs kanalen. ID-nivån fortsätter dock att vara i princip oförändrad.

Således ögonblicket V_DSär högre än V_sid, förvärvar JFET egenskaperna hos aktuell källa.

Såsom bevisats i fig 5.8 bestäms ström i en JFET vid I_D= Jag_DSS, men spänning V_DShögre än VP fastställs av den anslutna belastningen.

Valet av IDSS-notering baseras på det faktum att det är avloppet till källströmmen som har en kortsluten länk över porten till källan.

Ytterligare undersökning ger oss följande utvärdering:

Jag_DSSär den högsta dräneringsströmmen för en JFET och fastställs av förhållandena V_GS= 0 V och V._DS> | VP |.

Observera att i Fig. 5.6 V_GSär 0V för hela kurvan. I följande avsnitt kommer vi att lära oss hur Fig 5.6-attributen påverkas som nivån på V_GSär varierad.

V_GS <0V

Volymen som appliceras över porten och källan betecknas som VGS, som är ansvarig för att kontrollera JFET-operationerna.

Om vi ​​tar exemplet med en BJT, precis som kurvorna för jag_Cmot V_DETTAbestäms för olika nivåer av I_B, på samma sätt kurvorna för jag_Dmot V_DSför olika nivåer av V_GSkan skapas för en JFET-motsvarighet.

För detta är portterminalen inställd på en fortsatt lägre potential under källpotentialens nivå.

Med hänvisning till Fig.5.9 nedan appliceras en -1V över grind- / källterminalerna för en reducerad V_DSnivå.

Målet med negativ potentiell förspänning V_GSär att utveckla utarmningsregioner som liknar situationen för V._GS= 0, men vid signifikant reducerad V_DS.

Detta får grinden att uppnå en mättnadspunkt med lägre nivåer av V_DSsåsom anges i fig. 5.10 (V_GS= -1V).

Motsvarande mättnadsnivå för I_Dkan hittas vara reducerad och faktiskt bara fortsätter att minska som V_GSgörs mer negativ.

Du kan tydligt se i figur 5.10 hur nypspänningen fortsätter att sjunka med en parabolform som V_GSblir mer och mer negativ.

Slutligen, när V_GS= -V_sidblir det tillräckligt negativt för att upprätta en mättnadsnivå som så småningom är 0 mA. På denna nivå är JFET helt 'avstängd'.

Nivån på V_GSvilket orsakar jag_Dför att nå 0 mA kännetecknas av V_GS= V_P, vari V_Pär en negativ spänning för n-kanalanordningar och en positiv spänning för p-kanal JFET.

Vanligtvis kan du hitta de flesta JFET-datablad som visas nypa av spänning specificerad som V_{GS (av)}istället för V_P.

Området på höger sida av nypa-stället i figuren ovan är den plats som konventionellt används i linjära förstärkare för att uppnå distorsionsfri signal. Denna region kallas vanligtvis konstantström, mättnad eller linjär förstärkningsregion.

Spänningsstyrd motstånd

Området som är på vänster sida av nypa-locus i samma figur kallas ohmiskt område eller det spänningsstyrda motståndsområdet.

I detta område kan anordningen faktiskt drivas som ett variabelt motstånd (till exempel i automatisk förstärkningskontrollapplikation), med dess motstånd styrt genom den applicerade grind / källpotentialen.

Du kan se att lutningen på var och en av kurvorna som också betyder avlopps- / källmotståndet för JFET för V_DS Pråkar vara en funktion av den applicerade V_GSpotential.

När vi gör VGS högre med negativ potential blir lutningen för varje kurva mer och mer horisontell och uppvisar proportionellt ökande motståndsnivåer.

Vi kan få en bra initial approximation till motståndsnivån i förhållande till VGS-spänningen genom följande ekvation.

p-Channel JFET Working

Den interna layouten och konstruktionen av en p-kanal JFET är exakt identisk med n-kanalens motsvarighet, förutom att p- och n-typmaterialregionerna är omvända, som visas nedan:

Riktningarna för strömflödet kan också ses som omvända, tillsammans med de faktiska polariteterna för spänning VGS och VDS. I händelse av en p-kanal JFET blir kanalen begränsad som svar på ökande positiv potential över grinden / källan.

Notationen med ett dubbelt abonnemang för V_DSkommer att ge upphov till negativ spänning för V_DS, som visas på egenskaperna i Fig.5.12. Här kan du hitta jag_DSSvid 6 mA, medan en nypspänning vid V._GS= + 6V.

Bli inte förbryllad på grund av närvaron av dig minus tecken för V_DS. Det indikerar helt enkelt att källan har en högre potential än avloppet.

Du kan se att kurvorna för hög V_DSnivåer stiger plötsligt till värden som ser obegränsade ut. Den angivna stigningen som är vertikal symboliserar en nedbrytningssituation, vilket innebär att strömmen genom kanalanordningen helt styrs av den externa kretsen vid denna tidpunkt.

Även om detta inte är uppenbart i figur 5.10 för n-kanalanordning, kan det vara en möjlighet under tillräckligt hög spänning.

Denna region kan elimineras om V_{DS (max)}noteras från enhetens datablad och enheten är konfigurerad så att den faktiska V_DSvärdet är lägre än det noterade värdet för alla V_GS.