טרנזיסטורים עם אפקט שדה (FET)

ה טרנזיסטור אפקט שדה (FET) הוא מכשיר אלקטרוני שבו שדה חשמלי משמש לוויסות זרימת הזרם. כדי ליישם זאת, מוחל הבדל פוטנציאלי על פני שער ומסופי המקור של המכשיר, מה שמשנה את המוליכות בין מסופי הניקוז למקור וגורם לזרם מבוקר לזרום על גבי המסופים הללו.

קוראים FETs טרנזיסטורים חד קוטביים מכיוון שאלה נועדו לפעול כמכשירים מסוג מוביל יחיד. תוכלו למצוא סוגים שונים של טרנזיסטורי אפקט שדה זמינים.

סֵמֶל

ניתן לדמיין את הסמלים הגרפיים עבור ערוצי ה- n- וערוץ ה- J- ערוצים באיורים הבאים.

ניתן להבחין בבירור כי סימני החץ המכוונים פנימה למכשיר ערוץ ה- n כדי לציין את הכיוון אליו אני_ז(זרם שער) אמור לזרום כאשר צומת ה- p-n היו מוטים קדימה.

במקרה של מכשיר ערוץ p התנאים זהים למעט ההבדל בכיוון סמל החץ.

ההבדל בין FET ל- BJT

הטרנזיסטור אפקט השדה (FET) הוא מכשיר תלת-מסופי המיועד למגוון רחב של יישומי מעגלים המשלימים, ברמה רבה, את אלה של טרנזיסטור BJT.

אמנם תמצאו שינויים משמעותיים בין BJT ו- JFET, אך למעשה ישנם מספר מאפיינים תואמים עליהם ידובר בדיונים הבאים. ההבחנה העיקרית בין התקנים אלה היא BJT הוא מכשיר מבוקר זרם כפי שמוצג באיור 5.1 א, ואילו הטרנזיסטור JFET הוא מכשיר מבוקר מתח כמצוין באיור 5.1 ב.

במילים פשוטות, אני הנוכחי_גבאיור 5.1 א פונקציה מיידית של רמת ה- I_ב. עבור ה- FET הזרם I הוא פונקציה של המתח V._GSניתן למעגל הקלט כפי שהודגם באיור 5.1 ב.

בשני המקרים הזרם של מעגל הפלט נשלט על ידי פרמטר של מעגל הקלט. במצב אחד רמת זרם ובשנייה מתח מוחל.

בדיוק כמו npn ו- pnp עבור טרנזיסטורים דו-קוטביים, תוכלו למצוא טרנזיסטורים עם אפקט שדה n-channel ו- p-channel. אבל, עליך לזכור כי הטרנזיסטור BJT הוא מכשיר דו קוטבי הקידומת bi- המציין שרמת ההולכה היא פונקציה של שני נושאי מטען, אלקטרונים וחורים.

FET לעומת זאת הוא מכשיר חד קוטבי זה תלוי אך ורק בהולכה אלקטרונית (n-channel) או חור (p-channel).

ניתן להסביר את הביטוי 'אפקט שדה' כך: כולנו מודעים לכוחו של מגנט קבוע למשוך תיקים מתכתיים לעבר המגנט ללא כל מגע פיזי. באופן דומה למדי בתוך FET נוצר שדה חשמלי על ידי המטענים הקיימים המשפיעים על מסלול ההולכה של מעגל הפלט מבלי שיהיה לו מגע ישיר בין הכמויות השולטות והשולטות. כנראה אחת התכונות החשובות ביותר של ה- FET היא עכבת הקלט הגבוהה שלה.

החל מעוצמה של 1 ועד מאות מגה-אמה, הוא עולה באופן משמעותי על טווחי התנגדות הקלט הרגילים של תצורות ה- BJT, תכונה חשובה ביותר בעת פיתוח דגמי מגבר AC ליניארי.

עם זאת, ה- BJT נושא רגישות רבה יותר לשינויים באות הקלט. כלומר, השינוי בזרם המוצא בדרך כלל משמעותי יותר עבור BJTs מאשר FET עבור אותה כמות של שינוי במתח הקלט שלהם.

בגלל זה, רווחי מתח רגילים של מגברי BJT יכולים להיות גבוהים בהרבה בהשוואה ל- FET.

באופן כללי, FETs הם הרבה יותר גמישים מבחינה תרמית מאשר BJTs, ולעתים קרובות הם קטנים יותר במבנה בהשוואה ל- BJTs, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד להטבעה כמעגל משולב (I_ג)צ'יפס.

המאפיינים המבניים של חלק מה- FETs, לעומת זאת, יכולים לאפשר להם להיות רגישים במיוחד למגעים פיזיים מאשר ל- BJT.

עוד יחסי BJT / JFET

• עבור BJT V_{לִהיוֹת}= 0.7 V הוא הגורם החשוב להתחלת ניתוח תצורתו.
• באופן דומה, הפרמטר I_ז= 0 A הוא בדרך כלל הדבר הראשון שנחשב לניתוח מעגל JFET.
• עבור תצורת BJT, אני_בהוא לעיתים קרובות הגורם הראשון שהופך להיות הכרחי שייקבע.
• כמו כן, עבור ה- JFET, זה בדרך כלל ה- V_GS.

במאמר זה נתמקד ב JFETs או טרנזיסטורי אפקט שדה צומת, במאמר הבא נדבר על טרנזיסטור שדה-מוליך למחצה מתכתי-תחמוצת-מוליך או MOS-FET.

בנייה ותכונות של JFETs

כפי שלמדנו earliet ל- JFET יש 3 לידים. אחד מהם שולט בזרימת הזרם בין השניים האחרים.

בדיוק כמו BJT, גם ב- JFET משתמשים במכשיר ערוץ n בצורה בולטת יותר מאשר המקבילים לערוץ p, מכיוון ש- n מכשירים נוטים להיות יעילים יותר וידידותיים יותר לשימוש לעומת מכשיר ה- p.

באיור הבא אנו יכולים לראות את המבנה הבסיסי או בנייתו של JFET ערוצי n. אנו יכולים לראות כי ההרכב מסוג n מהווה את הערוץ העיקרי על פני שכבות ה- p.

החלק העליון של הערוץ מסוג n מחובר דרך מגע אומי עם טרמינל בשם הניקוז (D), ואילו החלק התחתון של אותו ערוץ מתחבר גם דרך מגע אומי עם מסוף אחר בשם המקור (S).

זוג החומרים מסוג p מחוברים יחד למסוף המכונה השער (G). בעיקרו של דבר אנו מוצאים כי מסופי הניקוז והמקור מחוברים לקצות הערוץ מסוג n. מסוף השער מחובר לזוג חומר ערוץ p.

כשאין מתח המופעל על פני jfet, שני צומת ה- p-n שלה הם ללא כל תנאי הטייה. במצב זה קיים אזור דלדול בכל צומת כמצוין באיור לעיל, שנראה די כמו אזור דיודה p-n ללא שום הטיה.

אנלוגיית מים

ניתן להבין את פעולות העבודה והבקרה של JFET באמצעות אנלוגיית המים הבאה.

כאן, ניתן להשוות את לחץ המים לגודל המתח המופעל מהניקוז למקור.

ניתן להשוות את זרימת המים לזרימת האלקטרונים. פתח הברז מחקה את מסוף המקור של ה- JFET, ואילו החלק העליון של הברז בו המים נאלצים פנימה מתאר את ניקוז ה- JFET.

כפתור הברז מתנהג כמו שער ה- JFET. בעזרת פוטנציאל קלט הוא שולט בזרימת האלקטרונים (מטען) מנקז למקור, בדיוק כמו שכפתור הברז שולט בזרימת המים על פתח הפה.

ממבנה JFET אנו יכולים לראות כי הניקוז ומסופי המקור נמצאים בקצוות הנגדי של ערוץ n, וכפי שהמונח מבוסס על זרימת אלקטרונים אנו יכולים לכתוב:

ו_GS= 0 V, V._DSערך חיובי כלשהו

באיור 5.4 אנו יכולים לראות מתח חיובי V._DSמוחל על פני ערוץ ה- n. מסוף השער מחובר ישירות למקור כדי ליצור תנאי V._GS= 0V. זה מאפשר לשער ולמסופי המקור להיות בפוטנציאל זהה, וגורם לאזור דלדול בקצה התחתון של כל חומר p, בדיוק כפי שאנו רואים בתרשים הראשון לעיל עם מצב ללא הטיה.

ברגע שמתח V._DD(= V._DS) מוחל, האלקטרונים נמשכים לעבר מסוף הניקוז, ויוצרים את הזרימה המקובלת של זיהוי הזרם, כפי שמצוין באיור 5.4.

כיוון זרימת המטען מגלה כי הניקוז וזרם המקור שווים בעוצמתם (I_ד= אני_ס). בהתאם לתנאים המתוארים באיור 5.4, זרימת המטען נראית בלתי מוגבלת למדי ומושפעת רק מהתנגדות תעלת ה- n בין הניקוז למקור.

יתכן שתבחין שאזור הדלדול גדול יותר סביב החלק העליון של שני החומרים מסוג p. הבדל זה בגודל האזור מוסבר באופן אידיאלי באמצעות איור 5.5. בואו נדמיין שיש התנגדות אחידה בערוץ n, זה יכול להיות מפוצל לחלקים המצוינים באיור 5.5.

הנוכחי אני_דעשוי לבנות את טווחי המתח דרך התעלה כפי שצוין באותה איור. כתוצאה מכך האזור העליון של החומר מסוג p יהיה מוטה הפוך ברמה של סביב 1.5 וולט, כאשר האזור התחתון מוטה רק על ידי 0.5 וולט.

הנקודה כי צומת ה- p-n מוטה לאחור לאורך כל הערוץ מולידה זרם שער עם אפס אמפר כפי שמוצג באותה איור. מאפיין זה המוביל אני_ז= 0 A הוא מאפיין חשוב של ה- JFET.

כמו וי_DSהפוטנציאל מוגבר מ- 0 לוולט כלשהו, ​​הזרם עולה בהתאם לחוק אוהם ועלילת ה- I_דשורה 5_DSיכול להיראות כפי שהוכח באיור 5.6.

היישר ההשוואתי של העלילה מראה כי עבור אזורי הערך הנמוך של V_DS, ההתנגדות היא בעצם אחידה. כמו וי_DSעולה ומתקרב לרמה המכונה סמנכ'ל באיור 5.6, אזורי הדלדול מתרחבים כפי שמופיע באיור 5.4.

התוצאה היא ירידה לכאורה של רוחב הערוץ. נתיב ההולכה המופחת מוביל לעלייה בהתנגדות שמולידה את העקומה באיור 5.6.

ככל שהעקומה אופקית יותר, כך ההתנגדות גבוהה יותר, דבר המצביע על כך שההתנגדות הולכת לכיוון אוהם 'אינסופי' באזור האופקי. כאשר וי_DSעולה במידה שבה נראה כי שני אזורי הדלדול עשויים 'להתקשר' כפי שמוצג באיור 5.7, מוליד מצב המכונה קמצוץ.

הסכום שבאמצעותו V_DSמתפתח מצב זה נקרא צביטה מתח וזה מסומל על ידי וי_פכפי שמוצג באיור 5.6. באופן כללי, המילה קמצוץ מטעה מכיוון שהיא מרמזת על אני הנוכחי_ד'צובטים' ויורדים ל- 0 A. כפי שהוכח באיור 5.6, זה כמעט לא נראה ברור במקרה זה. אני_דשומר על רמת רוויה המאופיינת כ- I_DSSבאיור 5.6.

האמת היא ערוץ קטן מאוד ממשיך להתקיים, עם זרם של ריכוז גבוה משמעותית.

הנקודה שתעודה מזהה לא יורדת ממנה צביטה ושומר על רמת הרוויה כפי שמצוין באיור 5.6 מאושר עם ההוכחה הבאה:

מכיוון שאין זרם ניקוז מבטל את האפשרות לרמות פוטנציאליות מגוונות באמצעות חומר ה- n-channel לקביעת הכמויות המשתנות של הטיה הפוכה לאורך צומת ה- p-n. התוצאה הסופית היא אובדן התפלגות אזור הדלדול שהתחילה צביטה להתחיל עם.

ככל שאנחנו מגדילים את V_DSמעל V_פ, אזור המגע הקרוב בו שני אזורי הדלדול יתקלו זה בזה בעלייה באורך לאורך הערוץ. עם זאת רמת הזהות ממשיכה להיות ללא שינוי.

כך הרגע וי_DSגבוה מ- V._{עמ '}, ה- JFET רוכש את מאפייני המקור הנוכחי.

כפי שהוכח באיור 5.8 הזרם ב- JFET נקבע ב- I_ד= אני_DSS, אבל מתח V._DSגבוה מ- VP נקבע על ידי העומס המחובר.

הבחירה בסימון IDSS מבוססת על העובדה שמדובר בזרם הניקוז למקור שיש לו קישור קצר מעבר לשער למקור.

חקירה נוספת נותנת לנו את ההערכה הבאה:

אני_DSSהוא זרם הניקוז הגבוה ביותר עבור JFET והוא נקבע על ידי התנאים V._GS= 0 V ו- V._DS> | סמנכ'ל |.

שימו לב באיור 5.6 וולט_GSהוא 0V למתיחה המלאה של העקומה. בחלקים הבאים נלמד כיצד מאפייני איור 5.6 מושפעים כרמת V_GSהוא מגוון.

ו_GS <0V

התנודתיות המופעלת על פני השער והמקור מסומנת כ- VGS, האחראית על השליטה בפעולות ה- JFET.

אם ניקח את הדוגמה של BJT, בדיוק כמו הקימורים של אני_גלעומת V._זֶהנקבעים לרמות שונות של אני_ב, באופן דומה העקומות של אני_דלעומת V._DSלרמות שונות של V._GSניתן ליצור עבור עמית JFET.

לשם כך מסוף השער מוגדר בפוטנציאל נמוך בהמשך מתחת לרמת פוטנציאל המקור.

בהתייחס לאיור 5.9 להלן, -1V מוחל על מסופי השער / המקור עבור V מופחת_DSרָמָה.

המטרה של הטיה פוטנציאלית שלילית V._GSזה לפתח אזורי דלדול הדומים למצב V._GS= 0, אך ב- V מופחת משמעותית_DS.

זה גורם לשער להגיע לנקודת רוויה עם רמות נמוכות יותר של V._DSכמצוין באיור 5.10 (V_GS= -1V).

רמת הסאטציה המתאימה עבור אני_דניתן למצוא שהוא מופחת ולמעשה רק ממשיך לרדת ככל ש- V_GSנעשה שלילי יותר.

ניתן לראות בבירור באיור 5.10 כיצד מתח הצביטה ממשיך לצנוח עם צורה פרבולית כ- V_GSנהיה יותר ויותר שלילי.

לבסוף, כאשר וי_GS= -V_{עמ '}, זה מקבל שלילי מספיק כדי לקבוע רמת רוויה שהיא בסופו של דבר 0 mA. ברמה זו, ה- JFET 'כבוי' לחלוטין.

הרמה של V._GSשגורם לי_דכדי להגיע ל 0 mA מאופיין ב- V_GS= V._פ, בו V_פהוא מתח שלילי עבור מכשירי ערוץ n ומתח חיובי עבור JFET של ערוץ p.

בדרך כלל, ייתכן שתמצא את רוב גליונות הנתונים של JFET צביטה מתח שצוין כ- V._{GS (כבוי)}במקום V_פ.

האזור בצד ימין של מקום הצביטה באיור לעיל הוא המקום בו משתמשים באופן מקובל במגברים ליניאריים להשגת אות ללא עיוותים. אזור זה נקרא בדרך כלל אזור הגברה זרם קבוע, רוויה או לינארית.

נגד מבוקר מתח

האזור שנמצא בצד שמאל של לוקוס הצביטה באותה דמות, נקרא אזור אומי או אזור התנגדות מבוקר מתח.

באזור זה ניתן למעשה להפעיל את המכשיר כנגד משתנה (למשל ביישום בקרת רווח אוטומטי), כאשר ההתנגדות שלו נשלטת באמצעות פוטנציאל השער / המקור המיושם.

ניתן לראות כי השיפוע של כל אחד מהעקומות המסמל גם את התנגדות הניקוז / המקור של ה- JFET ל- V_DS פבמקרה הוא פונקציה של ה- V המיושם_GSפוטנציאל.

ככל שאנו מגדילים את ה- VGS עם פוטנציאל שלילי, השיפוע של כל עקומה הופך אופקי יותר ויותר, ומציג רמות התנגדות מגדילות באופן יחסי.

אנו מסוגלים לקבל קירוב ראשוני טוב לרמת ההתנגדות ביחס למתח VGS, באמצעות המשוואה הבאה.

p-Channel JFET עובד

הפריסה והבנייה הפנימית של JFET בערוץ p זהים בדיוק למקבילה של ערוץ n, אלא שאזורי החומרים מסוג p ו- n הם הפוכים, כמוצג להלן:

ניתן לראות את כיווני הזרימה הנוכחית גם כהפוכים, יחד עם הקוטביות בפועל של מתח VGS ו- VDS. במקרה של JFET של ערוץ p, הערוץ יהיה מוגבל בתגובה להגברת הפוטנציאל החיובי ברחבי השער / המקור.

הסימון עם כתב כפול ל- V_DSיוליד מתח שלילי עבור V._DS, כפי שמוצג במאפיינים של איור 5.12. כאן, אתה יכול למצוא אותי_DSSב- 6 mA, בעוד שמתח צביטה ב- V._GS= + 6 וולט.

אנא אל תתמהו בגלל נוכחותכם סימן מינוס ל- V_DS. זה פשוט מציין שהמקור טומן בחובו פוטנציאל גבוה יותר מהניקוז.

אתה יכול לראות כי העקומות עבור V גבוה_DSרמות עולות בפתאומיות לערכים שנראים בלתי מוגבלים. העלייה המצוינת אנכית מסמלת מצב של תקלה, כלומר הזרם דרך מכשיר הערוץ נשלט לחלוטין על ידי המעגלים החיצוניים בנקודת זמן זו.

למרות שזה לא ניכר באיור 5.10 עבור מכשיר עם ערוץ n, זה יכול להיות אפשרות במתח גבוה מספיק.

ניתן לבטל אזור זה אם ה- V_{DS (מקסימום)}מצוין מגליון הנתונים של המכשיר, והמכשיר מוגדר כך ש- V בפועל_DSהערך נמוך מערך זה שצוין עבור כל V_GS.