Felt-effekt transistorer (FET)

Felt-effekt transistorer (FET)

Det felt-effekt transistor (FET) er en elektronisk enhed, hvor en elektrisk felt bruges til at regulere strømmen af ​​strøm. For at implementere dette påføres en potentiel forskel på tværs af portens og kildeterminalerne på enheden, hvilket ændrer ledningsevnen mellem afløb og kildeterminaler, der får en kontrolleret strøm til at strømme over disse terminaler.



FET'er kaldes unipolære transistorer fordi disse er designet til at fungere som enheder med en enkelt bærer. Du finder forskellige typer felteffekt-transistorer tilgængelige.

Symbol

De grafiske symboler for JFET'erne til n-kanalen og p-kanalen kan visualiseres i de følgende figurer.





Du kan tydeligt bemærke, at pilemarkeringerne, der peger indad for n-kanalindretningen, for at indikere retningen, hvor IG(portstrøm) formodes at flyde, når p-n-krydset var fremadspændt.

I tilfælde af en p-kanalindretning er forholdene identiske bortset fra forskellen i pilens symbol.



Forskel mellem FET og BJT

Felt-effekt transistoren (FET) er en tre-terminal enhed designet til en bred vifte af kredsløbsapplikationer, der komplementerer til et stort niveau BJT-transistorens.

Mens du finder betydelige afvigelser mellem BJT'er og JFET'er, er der faktisk flere matchende egenskaber, som vil blive talt om i de følgende diskussioner. Den væsentligste skelnen mellem disse enheder er BJT er en strømstyret enhed som vist i figur 5.1a, mens JFET-transistoren er en spændingsstyret enhed som vist i figur 5.1b.

Kort sagt, det nuværende jegCi fig. 5.1a er en øjeblikkelig funktion af niveauet af IB. For FET er strømmen I en funktion af spændingen V.GSgivet til indgangskredsløbet som vist i fig. 5.1b.

I begge tilfælde styres udgangskredsløbets strøm af en parameter for indgangskredsløbet. I den ene situation et strømniveau og i den anden en anvendt spænding.

Ligesom npn og pnp til bipolære transistorer finder du n-kanal og p-kanal felt-effekt transistorer. Men du skal huske, at BJT-transistoren er en bipolar enhed, præfikset bi-, hvilket indikerer, at ledningsniveauet er en funktion af to ladningsbærere, elektroner og huller.

FET på den anden side er en unipolar enhed det afhænger udelukkende af enten ledning af elektron (n-kanal) eller hul (p-kanal).

Udtrykket 'felteffekt' kan forklares således: vi alle er opmærksomme på kraften i en permanent magnet til at tiltrække metalfilter mod magneten uden fysisk kontakt. Helt på en lignende måde inden i FET oprettes et elektrisk felt af de eksisterende ladninger, der påvirker udgangskredsledets ledningsvej uden at have nogen direkte kontakt mellem de kontrollerende og kontrollerede størrelser. Sandsynligvis et af de mest afgørende træk ved FET er dens høje inputimpedans.

Fra en størrelse på 1 til mange hundrede megohms overgår den betydeligt de normale inputmodstandsområder for BJT-konfigurationerne, en ekstremt vigtig egenskab under udvikling af lineære vekselstrømsforstærkermodeller.

Imidlertid bærer BJT en større følsomhed over for variationer i indgangssignalet. Betydning, ændringen i udgangsstrøm er almindeligt betydeligt mere for BJT'er end FET'er for den samme mængde ændring i deres indgangsspændinger.

På grund af dette kan standard vekselstrømsgevinster for BJT-forstærkere være meget højere sammenlignet med FET'er.

Generelt er FET'er betydeligt mere termisk modstandsdygtige end BJT'er og har ofte også mindre struktur i forhold til BJT'er, hvilket gør dem specifikt egnede til indlejring som integreret kredsløb (IC)chips.

De strukturelle egenskaber ved nogle FET'er kan på den anden side gøre det muligt for dem at være ekstra følsomme over for fysiske kontakter end BJT'er.

Mere BJT / JFET-forhold

  • For en BJT VVÆRE= 0,7 V er den vigtige faktor for at starte en analyse af dens konfiguration.
  • Tilsvarende er parameteren IG= 0 A er almindeligvis den første ting, der overvejes til analysen af ​​et JFET-kredsløb.
  • For BJT-konfigurationen, IBer ofte den første faktor, der bliver nødvendig for at blive bestemt.
  • Ligeledes for JFET er det typisk VGS.

I denne artikel vil vi fokusere på JFET'er eller krydsfelteffekttransistorer, i den næste artikel vil vi diskutere metaloxid-halvleder felt-effcet transistor eller MOS-FET.

KONSTRUKTION OG KARAKTERISTIKA FOR JFET'er

Som vi lærte earliet, har en JFET 3 kundeemner. En af dem styrer strømmen mellem de to andre.

Ligesom BJT'er bruges også i JFET'er n-kanal-enheden mere fremtrædende end p-kanal-modstykker, da n-enheder har tendens til at være mere effektive og brugervenlige sammenlignet med p-enheden.

I den følgende figur kan vi se den grundlæggende struktur eller konstruktion af en n-kanal JFET. Vi kan se, at n-type sammensætningen danner hovedkanalen på tværs af p-type lagene.

Den øverste del af n-typen kanalen er forbundet gennem en ohmsk kontakt med en terminal, der hedder afløbet (D), mens den nedre sektion af den samme kanal også er forbundet via en ohmsk kontakt med en anden terminal, der hedder kilden (S).

Parret af p-type materialer er sammenkoblet med terminalen benævnt porten (G). I det væsentlige finder vi ud af, at afløbs- og kildeterminalerne er forbundet til enderne af n-typen kanal. Portterminalen er forbundet med et par p-kanal materiale.

Når der ikke påføres nogen spænding over en jfet, er de to p-n-kryds uden nogen forspændte betingelser. I denne situation findes der en udtømningsregion på hvert kryds som angivet i ovenstående figur, der ligner en diode p-n-region uden nogen forspænding.

Vandanalogi

Arbejds- og kontroloperationerne for en JFET kan forstås gennem følgende vandanalogi.

Her kan vandtrykket sammenlignes med den påførte spændingsstørrelse fra afløb mod kilde.

Vandstrømmen kan sammenlignes med strømmen af ​​elektroner. Munden på hanen efterligner JFETs kildeterminal, mens den øverste del af hanen, hvor vandet tvinges ind, viser JFETs afløb.

Håndtagsknappen fungerer som porten til JFET. Ved hjælp af et indgangspotentiale styrer det strømmen af ​​elektroner (opladning) fra afløb til kilde, ligesom haneknappen styrer strømmen af ​​vand på mundåbningen.

Fra JFET-strukturen kan vi se, at afløbet og kildeterminalerne er i de modsatte ender af n-kanalen, og da udtrykket er baseret på elektronstrøm, kan vi skrive:

VGS= 0 V, V.DSNogle positive værdier

I figur 5.4 kan vi se en positiv spænding V.DSanvendt på tværs af n-kanalen. Portterminalen er direkte forbundet med kilden for at skabe en tilstand VGS= 0V. Dette gør det muligt for porten og kildeterminalerne at have et identisk potentiale og resulterer i et nedbrydningsområde for den nedre ende af hvert p-materiale, nøjagtigt som vi ser i det første diagram ovenfor med en ikke-bias-tilstand.

Så snart en spænding V.DD(= VDS) påføres, trækkes elektroner mod afløbsterminalen og genererer den konventionelle strøm af strøm-ID, som angivet i figur 5.4.

Retningen af ​​ladningens strømning afslører, at afløb og kildestrøm er lige store (ID= JegS). I henhold til de betingelser, der er afbildet i figur 5.4, ser ladningens strømning ganske ubegrænset ud og påvirkes kun af modstanden i n-kanalen mellem afløb og kilde.

JFET i VGS = 0V og VDS = 0V

Du kan bemærke, at udtømningsområdet er større omkring den øverste del af begge p-type materialer. Denne forskel i regionens størrelse forklares ideelt gennem figur 5.5. Lad os forestille os at have en ensartet modstand i n-kanalen, dette kunne opdeles til de sektioner, der er angivet i figur 5.5.

Varierende reverse-bias potentialer på tværs af p-n-krydset af en n-kanal JFET

Den nuværende jegDkan bygge spændingsområderne gennem kanalen som påpeget i samme figur. Som et resultat vil det øverste område af p-typen materiale være omvendt forspændt med et niveau på omkring 1,5 V, hvor det nedre område blot er omvendt forspændt med 0,5 V.

Punktet, hvor p-n-krydset er omvendt forspændt langs hele kanalen, giver anledning til en portstrøm med nul ampere som vist i samme figur. Denne egenskab, der fører til jegG= 0 A er en vigtig egenskab ved JFET.

Som VDSpotentiale øges fra 0 til nogle volt, strømmen stiger i henhold til Ohms lov og plot af IDlinje 5DSkan se ud som vist i fig. 5.6.

Tegningens komparative ligehed viser, at for regionerne med lav værdi af VDS, modstanden er grundlæggende ensartet. Som VDSstiger og nærmer sig et niveau kendt som VP i figur 5.6, udtømningsregionerne udvides som angivet i figur 5.4.

Dette resulterer i en tilsyneladende sænkning af kanalbredden. Den nedsatte ledningsbane fører til stigningen i modstand, hvilket giver kurven i figur 5.6.

Jo mere vandret kurven bliver, jo højere er modstanden, hvilket indikerer, at modstanden kommer mod 'uendelige' ohm i det vandrette område. Når VDSøges i et omfang, hvor det ser ud til, at de to udtømningsregioner kan 'komme i kontakt' som vist i fig. 5.7, giver anledning til en situation kendt som pinch-off.

Det beløb, hvormed VDSudvikler denne situation kaldes klemme af spænding, og det er symboliseret med VPsom præsenteret i figur 5.6. Generelt er ordet pinch-off vildledende, fordi det indebærer det nuværende jegDer 'klemt af' og falder til 0 A. Som bevist i figur 5.6 ser det næppe tydeligt ud i dette tilfælde. jegDbevarer et mætningsniveau karakteriseret som IDSSi figur 5.6.

Sandheden er, at en meget lille kanal fortsætter med at eksistere med en strøm med betydelig høj koncentration.

Det punkt, hvor ID ikke falder af ved klemme af og bevarer mætningsniveauet som angivet i fig. 5.6 bekræftes med følgende bevis:

Da der ikke er nogen drænstrøm, elimineres muligheden for forskellige potentielle niveauer gennem n-kanal-materialet til bestemmelse af de skiftende mængder omvendt bias langs p-n-krydset. Slutresultatet blev tab af den udtømningsregionsfordeling, der udløste klemme af til at begynde med.

afklemning VGS = oV, VDS = Vp

Når vi øger VDSover VPden tætte kontaktregion, hvor de to udtømningsregioner vil møde hinanden, øges i længden langs kanalen. ID-niveauet er dog fortsat stort set uændret.

Således øjeblikket VDSer højere end Vs, erhverver JFET egenskaberne ved den aktuelle kilde.

Som bevist i fig. 5.8 bestemmes strøm i en JFET ved ID= JegDSS, men spænding VDShøjere end VP er etableret af den tilsluttede belastning.

Valget af IDSS-notation er baseret på det faktum, at det er afløb til kilde-strøm, der har en kortsluttet forbindelse over port til kilde.

Yderligere undersøgelse giver os følgende evaluering:

jegDSSer den højeste afløbsstrøm for en JFET og er etableret af betingelserne VGS= 0 V og V.DS> | VP |.

Bemærk, at i fig. 5.6 VGSer 0V for hele kurvens strækning. I de følgende sektioner lærer vi, hvordan figur 5.6-attributterne påvirkes som niveauet for VGSer varieret.

VGS <0V

Den spænding, der anvendes over porten og kilden, betegnes som VGS, som er ansvarlig for at kontrollere JFET-operationerne.

Hvis vi tager eksemplet med en BJT, ligesom kurverne for ICmod VDET HERer bestemt for forskellige niveauer af IB, ligeledes kurverne på IDmod VDStil forskellige niveauer af VGSkan oprettes til en JFET-modstykke.

Til dette er portterminalen indstillet til et fortsat lavere potentiale under niveauet for kildepotentialet.

Idet der henvises til figur 5.9 nedenfor, påføres en -1V over gate- / kildeterminalerne for en reduceret VDSniveau.

anvendelse af en negativ spænding til porten til JFET

Målet med negativ potentiel bias VGSer at udvikle udtømningsregioner, der ligner situationen for V.GS= 0, men ved signifikant reduceret VDS.

Dette får porten til at opnå et mætningspunkt med lavere V-niveauerDSsom angivet i fig. 5.10 (VGS= -1V).

Det tilsvarende saturatio-niveau for IDkan findes at være reduceret og faktisk bare falder som VGSgøres mere negativt.

Du kan tydeligt se i fig. 5.10 hvordan klemspændingen fortsætter med at falde med en parabolsk form som VGSbliver mere og mere negativ.

Endelig, når VGS= -Vs, bliver det tilstrækkeligt negativt til at etablere et mætningsniveau, der til sidst er 0 mA. På dette niveau er JFET helt 'slukket'.

n-kanal JFET karakteristika med IDSS = 8 mA

Niveauet på VGSsom forårsager jegDfor at nå 0 mA er kendetegnet ved VGS= VPhvor VPer en negativ spænding for n-kanal enheder og en positiv spænding for p-kanal JFET'er.

Almindeligvis kan du finde de fleste JFET-datablade, der vises klemme af spænding specificeret som VGS (slukket)i stedet for VP.

Området på højre side af afklemningslokuset i ovenstående figur er det sted, der traditionelt anvendes i lineære forstærkere til opnåelse af forvrængningsfrit signal. Denne region kaldes generelt konstantstrøm, mætning eller lineær amplifikationsregion.

Spændingsstyret modstand

Området, der er i venstre side af pinch-off locus i samme figur, kaldes ohmsk område eller det spændingsstyrede modstandsområde.

I dette område kan indretningen faktisk betjenes som en variabel modstand (for eksempel i automatisk forstærkningskontrolapplikation), med dens modstand styret gennem det påførte port / kildepotentiale.

Du kan se, at hældningen på hver af kurverne, som også betegner JFET's afløb / kildemodstand for VDS Ptilfældigvis er en funktion af den anvendte VGSpotentiel.

Når vi gør VGS højere med negativt potentiale, bliver hældningen på hver kurve mere og mere vandret og udviser proportionalt stigende modstandsniveauer.

Vi er i stand til at få en god indledende tilnærmelse til modstandsniveauet i forhold til VGS-spændingen gennem følgende ligning.

p-Channel JFET Working

Det interne layout og konstruktion af en p-kanal JFET er nøjagtigt identisk med n-kanal modstykket, bortset fra at p- og n-type materialeregionerne vendes, som vist nedenfor:

p-kanal JFET

Retningerne for strømmen kan også ses som omvendte sammen med de faktiske polariteter af spænding VGS og VDS. I tilfælde af en p-kanal JFET bliver kanalen begrænset som reaktion på stigende positivt potentiale over porten / kilden.

Notationen med dobbelt abonnement til VDSvil give anledning til negativ spænding for VDSsom vist på egenskaberne i fig. 5.12. Her kan du finde migDSSved 6 mA, mens en klemspænding ved V.GS= + 6V.

Bliv ikke forvirret på grund af tilstedeværelsen af ​​dig minustegn til VDS. Det indikerer simpelthen, at kilden har et højere potentiale end afløbet.

p-kanal JFET karakteristika

Du kan se, at kurverne for høj VDSniveauer pludselig stiger til værdier, der ser ubegrænsede ud. Den angivne stigning, der er lodret, symboliserer en sammenbrudssituation, hvilket betyder, at strømmen gennem kanalindretningen styres fuldstændigt af det eksterne kredsløb på dette tidspunkt.

Selvom dette ikke er tydeligt i figur 5.10 for n-kanalindretning, kan det være en mulighed under tilstrækkelig høj spænding.

Denne region kan elimineres, hvis VDS (maks.)bemærkes fra enhedens datablad, og enheden er konfigureret således, at den faktiske VDSværdi er lavere end denne bemærkede værdi for enhver VGS.




Forrige: 5 bedste 40 Watt forstærker kredsløb udforsket Næste: 2N3055 datablad, pinout, applikationskredsløb