Verbindingsveldeffecttransistors
Junction Field Effect Transistors zijn spanningsgestuurde, op halfgeleiders gebaseerde transistors. Dit zijn unidirectionele transistors met drie aansluitingen; afvoer, bron en poort. JFET's hebben geen PN-overgangen, maar zijn samengesteld uit kanalen van halfgeleidermaterialen.
Constructie en classificaties
JFET's hebben een groot kanaal voor de stroom van meerderheidsladingdragers. Dit kanaal staat bekend als substraat. Het substraat kan van P-type of N-type materiaal zijn. Twee externe contacten, ook wel ohmse contacten genoemd, zijn over de twee uiteinden van het kanaal geplaatst. JFET's worden geclassificeerd op basis van het halfgeleidermateriaal van het substraat in hun constructie.
N-kanaal JFET-transistors
Het kanaal is gemaakt van onzuiverheidsmateriaal van het N-type, terwijl de poorten zijn samengesteld uit onzuiverheidsmateriaal van het P-type. N-type materiaal betekent dat de vijfwaardige onzuiverheden zijn gedoteerd en dat de meeste ladingsdragers vrije elektronen in het kanaal zijn. De basisconstructie en symbolische presentatie van N-Channel JFET's wordt hieronder weergegeven:
P-kanaal JFET-transistors
Het kanaal is samengesteld uit onzuiverheidsmateriaal van het P-type, terwijl de poorten zijn samengesteld uit onzuiverheidsmateriaal van het N-type. P-kanaal betekent dat er driewaardige onzuiverheden in het kanaal zijn gedoteerd en dat de meeste ladingsdragers gaten zijn. De basisconstructie en symbolische presentatie van P-Channel JFET wordt hieronder weergegeven:
Werking van JFET's
JFET's worden vaak beschreven naar analogie van een waterslang. De stroom van water door pijpen is analoog aan de stroom van elektronen door kanalen van JFET's. Het inknijpen van de waterleiding bepaalt de hoeveelheid waterstroom. Op dezelfde manier bepaalt in het geval van JFET's de toepassing van spanningen over poortaansluitingen de vernauwing of verbreding van het kanaal voor de verplaatsing van ladingen van bron naar afvoer.
Wanneer een sperspanning over de poort en de bron wordt aangelegd, wordt het kanaal smaller terwijl de uitputtingslaag toeneemt. Deze werkingsmodus wordt de afknijpmodus genoemd. Dit soort kanaalgedrag wordt hieronder weergegeven:
JFET-karakteristiekencurve
JFET's zijn apparaten in depletiemodus, wat betekent dat ze werken aan het verbreden of verkleinen van depletielagen. Om de volledige bedrijfsmodi te analyseren, wordt de volgende voorspanningsregeling toegepast op een N-kanaal JFET.
Op de JFET-terminals worden twee verschillende voorspanningen toegepast. VDS wordt toegepast tussen drain en source, terwijl VGS wordt toegepast tussen gate en source, zoals weergegeven in bovenstaande afbeelding.
JFET zal in vier verschillende werkingsmodi werken, zoals hieronder besproken.
1: Ohmse modus
De ohmse modus is een normale toestand zonder dat er voorspanningen op de aansluitingen worden toegepast. Daarom is VGS=0 in ohmse modus. De depletielaag zal erg dun zijn en JFET werkt als een ohms element zoals een weerstand.
2: Afknijpmodus
In de afsnijmodus wordt voldoende voorspanning over de poort en de bron aangelegd. De toegepaste sperspanning rekt het uitputtingsgebied uit tot het maximale niveau en daarom gedraagt het kanaal zich als een open schakelaar die de stroomstroom weerstaat.
3: Verzadigingsmodus
De poort- en bronvoorspanning regelen de stroom over het kanaal van JFET. De stroom varieert met verandering in de voorspanning. De drain- en source-voorspanning hebben in deze modus een verwaarloosbaar effect.
4: Uitsplitsingsmodus
De drain- en source-voorspanning neemt toe tot een niveau dat de depletielaag in het kanaal van JFET's afbreekt. Dit leidt tot maximale stroom door het kanaal.
Wiskundige uitdrukkingen voor JFET-parameters
In verzadigingsmodi gaan de JFET's naar geleidermodi waarin de spanning de stroom varieert. Daarom kan de afvoerstroom worden geëvalueerd. De uitdrukking voor het evalueren van de afvoerstroom wordt gegeven door:
Het kanaal wordt breder of smaller bij toepassing van poortspanningen. De weerstand van het kanaal met betrekking tot het aanleggen van drain-source-spanning wordt uitgedrukt als:
RDS kan ook worden berekend via transconductantieversterking, gm:
JFET's configuraties
JFET's kunnen op verschillende manieren worden aangesloten met de ingangsspanningen. Deze configuraties staan bekend als gemeenschappelijke bron-, gemeenschappelijke poort- en gemeenschappelijke afvoerconfiguraties.
Gemeenschappelijke bronconfiguratie
In een gemeenschappelijke bronconfiguratie is de bron van JFET geaard en is de invoer verbonden met de poortaansluiting, terwijl de uitvoer uit de afvoer wordt gehaald. Deze configuratie biedt functies voor hoge ingangsimpedantie en spanningsversterking. Deze versterkermodusconfiguratie is de meest voorkomende van alle JFET-configuraties. De verkregen output is 180 graden uit fase met de input.
Gemeenschappelijke poortconfiguratie
In een gemeenschappelijke poortconfiguratie is de poort geaard terwijl de invoer is verbonden met de bron en de uitvoer wordt afgenomen van de afvoer. Omdat de poort met aarde is verbonden, heeft de configuratie een lage ingangsimpedantie maar een hogere impedantie aan de uitgang. De verkregen output is in fase met input:
Gemeenschappelijke afvoerconfiguratie
Bij een gemeenschappelijke afvoer is de invoer verbonden met de poort, terwijl de uitvoer is verbonden vanaf de bronterminal. Deze configuratie biedt ook een lage ingangsimpedantie en een hogere uitgangsimpedantie, net als de gemeenschappelijke poortconfiguratie, maar de spanningsversterking is hier ongeveer één.
Deze configuratie komt ook overeen met een gemeenschappelijke bron waarbij de ingang is verbonden met de poort, maar de gemeenschappelijke bronconfiguratie heeft minder dan één versterking.
Toepassing – JFET-versterkerconfiguratie
JFET's kunnen worden gemaakt om te werken als klasse-A-versterkers wanneer de poortterminal is verbonden met een spanningsdelernetwerk. Er wordt een externe spanning aangelegd over de bronterminal, die in het onderstaande circuit meestal is geconfigureerd op een vierde van de VDD.
De bronspanning kan daarom worden uitgedrukt als:
Ook kan de bronspanning worden berekend via onderstaande uitdrukking:
De afvoerstroom kan worden berekend op basis van de bovenstaande configuratie, zoals hieronder:
De poortspanning kan worden verkregen als functie van de waarden van weerstanden R1 en R2, zoals hieronder aangegeven.
Voorbeeld 1: V berekenen DD
Als V GS(uit) =-8V, ik DSS =24mA voor JFET in onderstaande configuratie, bereken V DD zoals weergegeven in de afbeelding wanneer R D =400.
Sinds
Het bovenstaande is de minimumwaarde van VDS voor JFET om in een constant stroomgebied te werken, daarom:
Ook,
Door KVL toe te passen op het afvoercircuit:
Voorbeeld 2: Bepaal de waarde van de afvoerstroom
Bepaal de waarde van de afvoerstroom wanneer VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA voor onderstaande JFET-configuratie.
De uitdrukking voor afvoerstroom is:
Conclusie
Junction Field Effect Transistors zijn halfgeleiderapparaten met drie aansluitingen die werken met het gedrag van de uitputtingsgebieden in verschillende werkingsmodi. Ze hebben geen PN-overgangen, maar zijn gemaakt van kanalen van halfgeleidermateriaal.