Přechodový tranzistor s efektem pole (JFET): Struktura, vlastnosti a použití

Přechodový tranzistor s efektem pole (Junction Field-Effect Transistor, JFET) je polovodičový aktivní prvek patřící do skupiny unipolárních tranzistorů, jehož činnost je založena na řízení toku proudu pomocí elektrického pole. Na rozdíl od bipolárních tranzistorů, kde se proud řídí proudem tekoucím do báze, u JFETu téměř žádný stejnosměrný proud neteče do hradla (Gate), protože v pracovní oblasti je PN přechod pod elektrodou Gate vždy polarizován v závěrném směru. JFET je bez přiloženého napětí mezi Gate a Source otevřený. JFET je řízen elektrickým polem a má v podstatě jen jeden pn přechod mezi hradlem a kanálem, na rozdíl od dvou u BJT.

Fyzikální struktura JFET

Schéma fyzikální struktury JFET je znázorněno na obrázku 13 (ačkoli obrázky nejsou k dispozici, je popsána struktura). JFET je třívývodové zařízení, stejně jako BJT. Skládá se z polovodičového kanálu, kterým protéká proud z Draintu (D) ke zdroji (S), a hradlové elektrody (G), která s kanálem tvoří p-n přechod. Na substrátu je vytvořena homogenní vrstva opačného typu polovodiče - tzv. kanál, tlustá přibližně 1 μm. Tato vrstva je pokryta tenkou vrstvičkou dielektrika (např. SiO₂) a do tohoto dielektrika jsou vyleptána tři okénka.

• Do prostředního okénka je nadifundována oblast opačného typu polovodiče než jakou má kanál, ale s vyšší dotací (hustotou) příměsových atomů. Tato oblast tvoří hradlo.
• Do krajních okének jsou nadifundovány vrstvy stejného typu polovodiče jako má kanál a opět s vyšší dotací. Tyto vrstvy tvoří elektrody Drain (D) a Source (S).

Šířky těchto tří vrstev jsou přibližně 0,3 μm. Každá z těchto vrstev je opatřena elektrodou. PN přechod pod elektrodou Gate je výrazně nesymetrický.

Typy JFET

• N-kanálový JFET: Je konstruován s použitím proužku materiálu typu n, se dvěma materiály typu p rozptýlenými do pásu, jeden na každé straně.
• P-kanálový JFET: Má proužek materiálu typu p se dvěma materiály typu n rozptýlenými do pásu.

Obrázek 13 také zobrazuje obvodové symboly pro oba typy.

Princip činnosti JFET

Pro získání přehledu o fungování JFET připojíme n-kanálový JFET k externímu obvodu. Kladné napájecí napětí V_DD je aplikováno na Drain a zdroj je připojen ke společnému (uzemnění). Napájecí napětí hradla V_GG je aplikováno na bránu. V_DD poskytuje napájecí napětí V_DS, které způsobuje proud odtoku I_D, proudící z Drainu do zdroje. Vzhledem k tomu, že křižovatka hradlového zdroje je reverzně ovlivňována, dochází k nulovému proudu proudu. Proud odtoku I_D, který se rovná proudovému zdroji, existuje v kanálu obklopeném p-bránami. Napětí hradla na zdroj V_GS vytváří ochuzovací oblast v kanálu, která snižuje šířku kanálu. To zase zvyšuje odpor mezi Drainem a zdrojem.

Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací

Provoz při V_GS = 0V

Při V_GS = 0, proud odtoku I_D skrz n-kanál od Drainu ke zdroji způsobí úbytek napětí podél kanálu, s vyšším potenciálem na Drainové straně. Toto kladné napětí na křižovatce Drain-hradlo opačně ovlivňuje pn přechod a vytváří ochuzovací oblast. Když se zvyšuje V_DS, proud odtoku I_D se také zvyšuje. S dalším zvyšováním V_DS je dosažen bod, kde oblast ochuzení odřízne celý kanál na Drainové hraně a proud odtoku dosáhne svého bodu nasycení. Pokud se V_DS zvýší za tento bod, I_D zůstává relativně konstantní. Hodnota proudu nasyceného odtoku s V_GS = 0 je důležitý parametr nazývaný proud saturačního zdroje, I_DSS. Zvyšování V_DS za tento bod zaškrcení kanálu (-V_P, I_DSS) způsobuje velmi nepatrný nárůst I_D, a křivka I_D-V_DS se stává téměř plochá, tj. I_D zůstává relativně konstantní, i když se V_DS dále zvyšuje. V_P je negativní pro n-kanálové zařízení. Při překročení vypínacího bodu (v oblasti nasycení) se dosáhne provozu, když je napětí odtoku V_DS větší než -V_P.

Tento popis naznačuje, že JFET je zařízení typu ochuzení. Očekáváme, že jeho vlastnosti budou podobné charakteristikám deplece MOSFETů. Nicméně, i když je možné provozovat MOSFET typu deplece v režimu vylepšení (použitím pozitivního V_GS), u JFET zařízení to není praktické. V praxi je maximální V_GS omezeno na přibližně 0,3V, jelikož pn-přechod zůstává v podstatě přerušen s tímto malým napětím vpřed.

Vliv napětí hradla na zdroj (V_GS)

V předchozí části jsme vyvinuli křivku I_D-V_DS s V_GS = 0. V této části se zabýváme kompletními charakteristikami I_D-V_DS pro různé hodnoty V_GS. Na rozdíl od BJT, kde jsou charakteristické křivky (I_C-V_CE) s I_B jako parametrem, je FET zařízení řízené napětím, kde V_GS kontroluje. Jak se V_GS zvyšuje (stává se zápornějším pro n-kanál a kladnějším pro p-kanál), je vytvořena ochuzovací oblast a zaškrcení je dosaženo pro nižší hodnoty I_D. Proto pro n-kanálový JFET se maximum I_D snižuje z I_DSS, jak je V_GS zápornější. Pokud se V_GS dále snižuje (je zápornější), je dosažena hodnota V_GS, kde I_D bude nulová bez ohledu na hodnotu V_DS. Tato hodnota V_GS se nazývá V_GS(OFF) nebo napětí V_P. Hodnota V_P je negativní pro n-kanálový JFET a pozitivní pro p-kanálový JFET. V_P lze přirovnat k V_T pro režim ochuzení MOSFET.

Charakteristiky JFET

Proudově-napěťové (I_D-V_DS) charakteristiky

Ohmická oblast (před zaškrcením) se obvykle nazývá triodová oblast, ale někdy se nazývá napětím řízená oblast. JFET je provozován v ohmické oblasti jak při požadavku na proměnný odpor, tak při spínání aplikací.

V blízkosti počátku souřadného systému (v blízkosti nuly) jsou pro všechna U_GS křivky téměř lineární (rovné). Pro malá napětí U_DS (cca do 1V) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. Jak se zmenšuje velikost napětí Gate-Source, šířka ohmické oblasti se zvětšuje. S rostoucím V_DS z nuly nastává na každé křivce bod zaškrcení, za kterým se proud odtoku zvyšuje jen velmi málo, i když V_DS stále roste. Hodnoty pinch-off jsou spojeny přerušovanou křivkou, která odděluje ohmickou oblast od aktivní oblasti. Jako V_DS stále stoupá i mimo pinch-off, je dosažen bod, kde se napětí mezi Drainem a zdrojem stává tak velké, že nastane lavinový průraz. V tomto bodě I_D prudce stoupá se zanedbatelným nárůstem V_DS. K tomuto rozpadu dochází na konci Drainové oblasti Gate-kanálu. Oblast mezi přerušovaným napětím a lavinovým zhroucením se nazývá aktivní oblast, provozní oblast zesilovače, oblast nasycení nebo oblast.

Čtěte také: IPA asfaltová izolace: Co potřebujete vědět

Průrazné napětí je funkcí V_GS stejně jako V_DS. Vzhledem k tomu, že velikost napětí mezi hradlem a zdrojem je zvýšena (zápornější pro n-kanál a více pozitivní pro p-kanál), klesá průrazné napětí. S V_GS = V_P, vypouštěcí proud je nulový (s výjimkou malého svodového proudu) a V_GS = 0, saturační proud odtoku má hodnotu I_DSS. I_DSS je saturační proud Drain-Source. Mezi vypínáním a rozpadem je vypouštěcí proud nasycený a nemění se významně jako funkce V_DS.

Po zaškrcení kanálu, hodnotu I_D lze získat z charakteristických křivek nebo z následujících rovnic:

Pro přibližnou hodnotu:

I_D = I_DSS (1 - V_GS / V_P)²

Přesnější verze (s ohledem na mírný sklon charakteristických křivek):

Čtěte také: Radon a asfaltová izolace

I_D = I_DSS (1 - V_GS / V_P)² (1 + λV_DS)

Kde λ je analogické s λ pro MOSFET a 1/V_A pro BJT. Protože λ je malé, předpokládáme, že (1 + λV_DS) ≈ 1. To odůvodňuje vynechání druhého faktoru v rovnici a použití aproximace pro předpětí a analýzu velkých signálů.

Proud nasycení Drain-Source, I_DSS, je funkcí teploty. Vliv teploty na V_P není velký. Nicméně I_DSS klesá s rostoucí teplotou, pokles je až 25% pro 100°C zvýšení teploty. Ještě větší variace se vyskytují ve V_P a I_DSS kvůli nepatrným odchylkám ve výrobním procesu.

Přenosové charakteristiky

Přenosová charakteristika je graf proudu odtoku I_D jako funkce napětí Gate-Source V_GS, s V_DS rovným konstantnímu napětí. Přenosová charakteristika je téměř nezávislá na hodnotě V_DS, protože poté, co JFET dosáhne zaškrcení, I_D zůstává relativně konstantní pro rostoucí hodnoty V_DS. Nejužitečnější metodou stanovení přenosové charakteristiky v oblasti nasycení je následující vztah (Shockleyho rovnice):

I_D = I_DSS (1 - V_GS / V_P)²

Proto potřebujeme znát pouze I_DSS a V_P k určení celé charakteristiky. Datové listy výrobců často uvádějí tyto dva parametry, takže lze vytvořit přenosovou charakteristiku. V_P ve specifikačním listu výrobce je zobrazen jako V_GS(OFF).

Charakteristiky JFET se liší od odpovídajících křivek pro BJT. Křivky BJT mohou být reprezentovány jako rovnoměrně rozmístěné pro rovnoměrné kroky v základním proudu z důvodu lineárního vztahu mezi I_C a I_B. JFET a MOSFET nemají žádný proud analogický proudu báze, protože hradlové proudy jsou nulové. Proto jsme nuceni ukázat rodinu křivek I_D vs V_DS a vztahy jsou velmi nelineární.

Druhý rozdíl se týká velikosti a tvaru ohmické oblasti charakteristických křivek. Šířka ohmické oblasti pro JFET je funkcí napětí Drain-Source. Ohmická oblast je poměrně lineární, dokud se koleno nedotkne. Tato oblast se nazývá ohmická oblast, protože když se tranzistor používá v této oblasti, chová se jako ohmický odpor, jehož hodnota je dána hodnotou V_GS. Jak se zmenšuje velikost napětí Gate-Source, šířka ohmické oblasti se zvětšuje.

JFET Model s malým signálem

Model malých signálů JFET může být odvozen podle stejných postupů, které byly použity pro MOSFET. Model je založen na vztahu rovnice I_D = I_DSS (1 - V_GS / V_P)² (1 + λV_DS). Pokud vezmeme v úvahu pouze ac komponenty napětí a proudů, máme:

i_d = g_m v_gs + (1/r_o) v_ds

Parametry jsou dány parciálními derivacemi:

• g_m = ∂i_D/∂v_GS |_VDS = 2I_DSS/|V_P| (1 - V_GS/V_P)
• 1/r_o = ∂i_D/∂v_DS |_VGS ≈ λI_D

Výsledný model je identický s dříve odvozeným modelem MOSFET, s výjimkou hodnot g_m a r_o, které jsou vypočteny pomocí různých vzorců. Ve skutečnosti jsou vzorce shodné, pokud V_P nahradí V_T.

Výběr klidového pracovního bodu (Q-bod)

Pro návrh zesilovače JFET, Q-bod pro dc biasový proud může být určen buď graficky, nebo pomocí analýzy obvodu za předpokladu, že pro tranzistor je nastaven režim vypínání. Dc bias proud v Q-bodě by měl ležet mezi 30% a 70% z I_DSS. To lokalizuje Q-bod v nejlineárnější oblasti charakteristických křivek.

Transkonduktanci g_m v Q-bodě můžeme najít buď ze sklonu křivky, nebo pomocí rovnice.

Srovnání JFET s MOSFET

MOSFET má řadu výhod oproti tranzistoru JFET. Zejména je vstupní odpor MOSFETu vyšší než odpor JFET. Z tohoto důvodu je MOSFET vybrán pro většinu aplikací. JFET se však stále používá v omezených situacích, zejména pro analogové aplikace. JFET řídí vodivost většinového nosného proudu v existujícím kanálu mezi dvěma ohmickými kontakty. To se provádí změnou ekvivalentní kapacity zařízení. Ačkoli přistupujeme k JFET bez použití výsledků odvozených dříve pro MOSFET, uvidíme mnoho podobností v provozu těchto dvou typů zařízení.

Charakteristickým rysem JFET je jeho vysoká vstupní impedance, která vyplývá ze skutečnosti, že hradlo p-n přechodu je záporně polarizované a neodebírá prakticky žádný proud. Díky tomu jsou tranzistory tohoto typu ideální pro vstupní obvody nízkopříkonových zesilovačů signálu, selektivní obvody a analogové filtry. Provoz JFET je lineární v širokém rozsahu parametrů a jeho proudově-napěťová charakteristika závisí na délce a šířce kanálu a na hodnotě napětí hradla.

Praktické aspekty a ochrana

Izolační vrstva pod řídící elektrodou je velmi tenká a prorazí ji napětí už od několika desítek voltů, takže při práci s těmito tranzistory je zapotřebí zabránit vzniku statické elektřiny. Jako základ by se považovalo nedotýkání elektrod, protože jsou extrémně citlivé, proto také unipolární tranzistory chodí zapíchnuté v celofánu elektrodami. Také jako dobré opatření pro zabránění tomuto je se před jakoukoliv prací s elektrodami uzemnit.

tags: #tranzistor #jfet #izolace #vlastnosti #použití

Oblíbené příspěvky:

• více o Knauf řešeních
• Jak správně aplikovat rákosové a hliněné omítky
• jak funguje odstraňovač nátěrů
• Praktické využití obkladových pásků
• Hydroizolace pro exteriér