Spojni tranzistori s efektom polja
Spojni tranzistori s efektom polja su naponski kontrolirani poluvodički tranzistori. To su jednosmjerni tranzistori s tri terminala; odvod, izvor i vrata. JFET nemaju PN spojeve, ali se sastoje od kanala poluvodičkih materijala.
Konstrukcija i klasifikacije
JFET-ovi imaju veliki kanal za protok većinskih nositelja naboja. Ovaj kanal je poznat kao supstrat. Podloga može biti od materijala P-tipa ili N-tipa. Dva vanjska kontakta poznata kao omski kontakti postavljena su preko dva kraja kanala. JFET-ovi se klasificiraju na temelju poluvodičkog materijala supstrata u njihovoj konstrukciji.
N-kanalni JFET tranzistori
Kanal je napravljen od N-tipa nečistoće, dok su vrata sastavljena od P-tipa nečistoća. Materijal tipa N znači da su petovalentne nečistoće dopirane, a da su glavni nositelji naboja slobodni elektroni u kanalu. Osnovna konstrukcija i simbolički prikaz N-kanalnih JFET-ova prikazani su u nastavku:
P-kanalni JFET tranzistori
Kanal se sastoji od nečistoće P-tipa dok su vrata sastavljena od N-tipa nečistoće materijala. P-kanal znači da su trovalentne nečistoće dopirane u kanalu, a većina nositelja naboja su rupe. Osnovna konstrukcija i simbolički prikaz P-kanalnog JFET-a prikazani su u nastavku:
Rad JFET-a
JFET-ovi se često opisuju analogijom cijevi za crijevo za vodu. Protok vode kroz cijevi analogan je protoku elektrona kroz kanale JFET-a. Pritisak cijevi za vodu određuje količinu protoka vode. Slično tome, u slučaju JFET-a, primjena napona preko izlaznih terminala odlučuje o sužavanju ili širenju kanala za kretanje naboja od izvora do odvoda.
Kada se primijeni obrnuti prednapon na vratima i izvoru, kanal se sužava dok se osiromašeni sloj povećava. Ovaj način rada naziva se pinch-off način rada. Ova vrsta ponašanja kanala prikazana je u nastavku:
Krivulja karakteristika JFET-a
JFET-ovi su uređaji za osiromašeni način rada, što znači da rade na širenju ili sužavanju osiromašenih slojeva. Kako bi se analizirali potpuni načini rada, na N-kanalni JFET primjenjuje se sljedeći raspored prednaprezanja.
Na JFET terminalima primjenjuju se dva različita prednapona. VDS se primjenjuje između odvoda i izvora dok se VGS primjenjuje između vrata i izvora kao što je prikazano na gornjoj slici.
JFET će raditi u četiri različita načina rada, kao što je objašnjeno u nastavku.
1: Ohmski način rada
Ohmski način rada je normalno stanje bez ikakvih prednapona koji se primjenjuju na njegovim terminalima. Prema tome, VGS=0 u omskom modu. Osiromašeni sloj mora biti vrlo tanak i JFET radi kao omski element kao što je otpornik.
2: Pinch-off način rada
U načinu rada prekida, primjenjuje se dovoljan prednapon preko vrata i izvora. Primijenjeni reverzni prednapon rasteže područje osiromašenja do maksimalne razine i stoga se kanal ponaša kao otvoreni prekidač koji se opire protoku struje.
3: Način zasićenja
Prednapon vrata i izvora kontrolira protok struje kroz kanal JFET-a. Struja varira s promjenom prednapona. Prednapon odvoda i izvora ima zanemariv učinak u ovom načinu rada.
4: Način kvara
Prednapon odvoda i izvora raste do razine koja razbija osiromašeni sloj u kanalu JFET-a. To dovodi do maksimalnog protoka struje kroz kanal.
Matematički izrazi za JFET parametre
U načinima zasićenja, JFET-ovi ulaze u način rada vodiča gdje napon mijenja struju. Stoga se može procijeniti struja odvoda. Izraz za procjenu struje odvoda dan je sa:
Kanal se širi ili sužava primjenom napona vrata. Otpor kanala s obzirom na primjenu napona odvod-izvor izražava se kao:
RDS se također može izračunati kroz pojačanje transkonduktivnosti, gm:
Konfiguracije JFET-a
JFET-ovi se mogu spojiti na razne načine s ulaznim naponima. Ove konfiguracije poznate su kao konfiguracije zajedničkog izvora, zajedničkih vrata i zajedničkog odvoda.
Konfiguracija zajedničkog izvora
U uobičajenoj konfiguraciji izvora, izvor JFET-a je uzemljen, a ulaz je spojen na terminal vrata dok se izlaz uzima iz odvoda. Ova konfiguracija nudi visoku ulaznu impedanciju i funkcije pojačanja napona. Ova konfiguracija načina rada pojačala najčešća je od svih konfiguracija JFET-a. Dobiveni izlaz je 180 stupnjeva izvan faze s ulazom.
Konfiguracija zajedničkih vrata
U uobičajenoj konfiguraciji vrata, vrata su uzemljena dok je ulaz spojen na izvor, a izlaz se uzima iz odvoda. Budući da su vrata povezana s masom, konfiguracija ima nisku ulaznu impedanciju, ali veću impedanciju na izlazu. Dobiveni izlaz je u fazi s ulazom:
Uobičajena konfiguracija odvoda
U zajedničkom odvodu, ulaz je spojen na vrata dok je izlaz spojen na terminal izvora. Ova konfiguracija također nudi nisku ulaznu impedanciju i veću izlaznu impedanciju baš kao i uobičajena konfiguracija vrata, ali ovdje je pojačanje napona približno jedno.
Ova konfiguracija također odgovara zajedničkom izvoru gdje je ulaz spojen na vrata, ali konfiguracija zajedničkog izvora ima dobitak manji od jedinice.
Primjena – Konfiguracija pojačala JFET-a
JFET-ovi se mogu natjerati da rade kao pojačala klase A kada je izlazni terminal povezan s mrežom razdjelnika napona. Vanjski napon se primjenjuje preko terminala izvora, koji je uglavnom konfiguriran tako da bude jedna četvrtina VDD u donjem krugu.
Napon izvora se stoga može izraziti kao:
Također, napon izvora može se izračunati pomoću donjeg izraza:
Struja odvoda može se izračunati iz gornje konfiguracije kao što je prikazano u nastavku:
Napon gejta može se dobiti kao funkcija vrijednosti otpornika R1 i R2 kako je navedeno u nastavku.
Primjer 1: Izračunavanje V dd
Ako V GS (isključeno) = -8V, I DSS =24mA za JFET u donjoj konfiguraciji, izračunajte V dd kao što je prikazano na slici kada je R D =400.
Od
Gore navedeno bit će minimalna vrijednost VDS-a za rad JFET-a u području konstantne struje, dakle:
Također,
Primjenom KVL-a u odvodnom krugu:
Primjer 2: Odredite vrijednost struje odvoda
Odredite vrijednost struje odvoda kada je VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA za konfiguraciju ispod JFET-a.
Izraz za struju odvoda je:
Zaključak
Spojni tranzistori s efektom polja tri su terminalna poluvodička uređaja koji rade s ponašanjem osiromašenih područja u različitim načinima rada. Nemaju PN spojeve, već su izrađeni od kanala poluvodičkih materijala.