Что такое JFET: конструкция, типы и принцип работы


JFET (Junction gate field-effect transistor) — полевой транзистор с перекрестным затвором, также известный как полевой транзистор с управляющим PN-переходом или переходный полевой транзистор. Обычный транзистор — это устройство, управляемое током, которому нужен ток для смещения, тогда как JFET — это устройство, управляемое напряжением. Как и МОП-транзисторы (MOSFET), JFET имеет три вывода Gate (затвор), Drain (сток) и Source (исток).

Конструкция и обозначения на схемах двух типов JFET

JFET является важным компонентом прецизионного управления напряжением в аналоговой электронике. Мы можем использовать JFET в качестве резисторов, управляемых напряжением, или в качестве переключателя, или даже сделать усилитель, используя JFET. Это также энергоэффективная версия для замены биполярного транзистора. JFET обеспечивает низкое энергопотребление и довольно низкую рассеиваемую мощность, тем самым повышая общую эффективность схемы. Он также обеспечивает очень высокий входной импеданс, что является большим преимуществом перед биполярными транзисторами.

Типы JFET

Как и MOSFET, JFET имеет два подтипа: N-канальный JFET и P-канальный JFET.

Распиновка N-канального и P-канального JFET

Схематическая модель N-канального JFET и P-канального JFET показана на изображении выше. Стрелкой обозначены типы JFET. Стрелка, указывающая на затвор, означает, что JFET является N-канальным, а стрелка, идущая от затвора, обозначает JFET с P-каналом. Эта стрелка также указывает полярность PN-перехода, который образуется между каналом и затвором. Интересно, что английская мнемоника гласит: стрелка N-канального устройства указывает «Точки в n».

Ток, протекающий через сток и исток, зависит от напряжения, приложенного к клемме затвора. Для JFET N-канала напряжение затвора отрицательное, а для JFET P-канала напряжение затвора положительное.

Конструкция JFET

Конструкция N-канального и P-канального JFET

На приведенном изображении мы можем видеть базовую конструкцию JFET. N-канальный JFET состоит из материала P-типа в подложке N-типа, тогда как материалы N-типа используются в подложке p-типа для формирования P-канального JFET.

JFET построен с использованием длинного канала полупроводникового материала. В зависимости от процесса изготовления, если JFET содержит большое количество положительных носителей заряда (называемых дырками), это JFET P-типа, а если он имеет большое количество отрицательных носителей заряда (называемых электронами), он называется N-типом JFET.

В длинном канале из полупроводникового материала на каждом конце создаются омические контакты, образующие соединения истока и стока. PN-переход формируется на одной или обеих сторонах канала.

Принцип работы JFET

Лучшим примером для понимания работы JFET является труба садового шланга. Предположим, что через садовый шланг течет вода. Если мы сожмем шланг, поток воды уменьшится, и в определенный момент, если мы сожмем его полностью, поток воды станет нулевым. JFET работает именно таким образом. Если мы заменим шланг на JFET, а поток воды на ток, а затем построим токоведущий канал, мы сможем контролировать ток.

Когда на затворе и истоке нет напряжения, канал становится плавным, широко открытым для движения электронов. Но обратная ситуация происходит, когда между затвором и истоком подается напряжение в обратной полярности, что приводит к обратному смещению PN-перехода и сужению канала за счет увеличения обедненного слоя, что может привести к тому, что JFET попадет в область отсечки или насыщения.

На изображении ниже мы можем видеть режим насыщения (saturation mode) и режим отсечки (pinch off mode), и мы сможем понять, что слой истощения (depletion layer) стал шире, а ток становится меньше.

Режимы работы JFET

Если мы хотим отключить JFET, нам нужно обеспечить отрицательный затвор для источника напряжения, обозначенный как V GS для JFET N-типа. Для JFET P-типа нам необходимо обеспечить положительное значение VGS.

JFET работает только в режиме истощения, тогда как MOSFET может работать в режим истощения и режиме улучшения.

Вольт-амперные характеристики JFET

Схема включения JFET для измерения его вольт-амперной характеристики

На приведенном изображении JFET смещается через переменный источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET. Мы также подали напряжение на сток и исток. Изменяя VGS мы можем построить вольт-амперные характеристики (ВАХ) полевого транзистора.

Вольт-амперные характеристики JFET

На приведенном рисунке мы можем видеть три графика для трех разных значений напряжения VGS : 0 В, -2 В и -4 В. Существует три различных области: сопротивление, насыщение и пробой. В омической области JFET действует как резистор, управляемый напряжением, где ток контролируется приложенным к нему напряжением. После этого JFET попадает в область насыщения, где кривая становится почти прямой. Это означает, что поток тока достаточно стабилен, и VDS не будет мешать потоку тока. Но когда VDS намного превышает допуск, полевой транзистор переходит в режим пробоя, в котором ток становится неконтролируемым.

Эта ВАХ почти одинакова и для P-канального JFET, но различий немного. JFET перейдет в режим отключения, когда VGS и напряжение Pinch или (V P ) станут одинаковыми. Также, как и на приведенной выше кривой, для N-канального JFET ток стока увеличивается с увеличением VGS . Но для P-канального JFET ток стока уменьшается с увеличением VGS .

Смещение JFET

Для правильного смещения JFET используются различные типы методов. Из различных техник широко используются следующие три:

  • Метод фиксированного смещения постоянного тока (Fixed DC Biasing Technique)
  • Техника самосмещения (Self-Biasing)
  • Метод потенциального смещения делителя (Potential Divider Biasing)

Метод фиксированного смещения постоянного тока

Схема для метода фиксированного смещения постоянного тока в JFET

В методе фиксированного смещения постоянного тока N-канального JFET затвор JFET подключен таким образом, что VGS JFET все время остается отрицательным. Поскольку входное сопротивление JFET очень велико, во входном сигнале не наблюдается эффектов нагрузки. Ток через резистор R1 остается нулевым. Когда мы подаем сигнал переменного тока на входной конденсатор C1, сигнал появляется на затворе. Теперь, если мы рассчитаем падение напряжения на R1, согласно закону Ома, оно будет V = I x R или падение V = ток затвора x R1. Поскольку ток, текущий к затвору, равен 0, падение напряжения на затворе остается нулевым. Таким образом, с помощью этого метода смещения мы можем управлять током стока JFET, просто изменяя фиксированное напряжение, тем самым изменяя VGS .

Техника самосмещения

Схема для техники самосмещения в JFET

В методе самосмещения к выводу истока добавляется один резистор. Падение напряжения на истоковом резисторе R2 создает VGS для смещения напряжения. В этом методе ток затвора снова равен нулю. Напряжение истока определяется тем же законом Ома V = I x R. Следовательно, напряжение истока = ток стока x резистор истока. Теперь напряжение затвор-исток можно определить по разнице между напряжением затвора и напряжением истока.

Поскольку напряжение затвора равно 0 (поскольку ток затвора равен 0, согласно V = IR, напряжение затвора = ток затвора x резистор затвора = 0), VGS = 0 – ток затвора x сопротивление источника. Таким образом, внешний источник смещения не требуется. Смещение создается самостоятельно за счет падения напряжения на истоковом резисторе.

Метод потенциального смещения делителя

Схема для метода потенциального смещения делителя

В этом методе используется дополнительный резистор, и схема немного изменена по сравнению с методом самосмещения: делитель напряжения с использованием R1 и R2 обеспечивает необходимое смещение постоянного тока для JFET. Падение напряжения на резисторе истока должно быть больше напряжения на затворе делителя резистора. Таким образом, VGS остается отрицательным.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
90 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *