ترانزیستور اثر میدان JFET

ترانزیستور پیوندی اثر میدان

در ترانزیستور پیوندی دو قطبی BJT، دیدیم که جریان خروجی از کلکتور ترانزیستور، متناسب است با جریان ورودی جاری داخل پایه ی بیس دستگاه، در نتیجه ترانزیستور بی پلار به یک دستگاه کنترل جریان (مدل بتا) تبدیل می شود به طوریکه یک جریان کوچک می تواند ،جریان بزرگ بار را کنترل کند.

ترانزیستور اثر میدان یا FET از ولتاژی که به پایه ی ورودی آنها به نام گیت اعمال می شود برای کنترل کردن جریان جاری داخل آنها استفاده می کند، و در نتیجه جریان خروجی با ولتاژ ورودی کنترل می شود. از این رو عملکرد آنها بستگی به میدان الکتریکی تولید شده توسط ولتاژ ورودی گیت آنها دارد ، به این ترتیب ، ترانزیستور اثر میدان را به عنوان یک دستگاه کنترل شونده با ولتاژ شناسایی می شود.

ترانزیستور اثر میدان یک دستگاه نیمه هادی تک قطبی سه پایه است که ویژگی های خیلی مشابهی با همتایان ترانزیستور دوقطبی شان دارد مانند بازدهی بالا، عملکرد سریع، قوی و ارزان بودن و اینکه می تواند در بیشتر برنامه های کاربردی مدارات الکتریکی استفاده شود برای اینکه جای ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی معادل آنها را بگیرد. ترانزیستورهای اثر میدان می تواند بسیار کوچکتر از یک ترانزیستور BJT معادل ساخته شود و هم چنین اتلاف توان و مصرف توان کم آنها، آنها را برای استفاده در مدارهای مجتمع ایده آل می سازد همانند رنج CMOS از تراشه های منطقی دیجیتالی.

از مقاله های قبلی یادمان هست که دونوع اساسی از ساختار ترانزیستور دوقطبی وجود دارد ، NPN و PNP که به طور اساسی آرایش فیزیکی از مواد نیمه هادی نوع P و نوع N که از آنها ساخته شده اند را توصیف می کند. این هم چنین در مورد FET ها صدق می کند که دو گروه اصلی از ترانزیستور اثر میدانی به نام FET کانال N و FET کانال P وجود دارد. ترانزیستور اثر میدان یک دستگاه سه پایه است که بدون هیچ پیوند PN ای داخل مسیر اصلی انتقال جریان بین پایه های درین و سورس ساخته شده است که در عمل با کلکتور و امیتر ترانزیستور دوقطبی مطابقت دارد. مسیر جریان بین این دو ترمینال کانال نامیده می شود که ممکن است از مواد نیمه هادی نوع N یا نوع P ساخته شده باشد.

کنترل جریان جاری در این کانال با تغییر ولتاژ اعمال شده به گیت انجام می شود. همان طور که از اسمشان مشخص است، ترانزیستورهای بی پلار، دستگاههای دوقطبی هستند زیرا با هر دو نوع حامل های بار، حفره ها و الکترون ها کار می کنند. ازسوی دیگر ترانزیستور اثر میدان یک دستگاه تک قطبی است که فقط بستگی به انتقال الکترون ها (کانال N) یا حفره ها (کانال P) دارد.

ترانزیستور اثر میدان یک مزیت عمده بیش از خویشاوندان ترانزیستور دوقطبی استاندارد اش دارد و آن این است که امپدانس ورودی آنها (Rin) بسیار بالاست (هزاران اهم) در حالی که در BJT نسبتا پایین است. این امپدانس ورودی بسیار بالا آنها را به سیگنال های ولتاژ ورودی خیلی حساس می کند اما تاوان این حساسیت بالا هم چنین به این معنی است که آنها می توانند به راحتی توسط الکتریسیته استاتیک آسیب ببینند.

دو نوع اصلی از ترانزیستور اثر میدان وجود دارد ، ترانزیستور پیوندی اثر میدان یا JFET و ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق شده یا IGFET که ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز یا MOSFET به طور عادی شناخته تر شده است.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان

ما قبلا دیدیم که ترانزیستور پیوندی دو قطبی با استفاده از دو پیوند PN در مسیر اصلی حمل جریان بین پایه های امیتر و کلکتور ساخته شده است. ترانزیستور پیوندی اثر میدان هیچ پیوند PN ای ندارد اما به جای آن یک قطعه ی باریک ازمواد نیمه هادی با مقاومت بالا دارد که به شکل یک کانال سیلیکون از نوع N یا نوع P است که  دو سر کانال به نام های درین و سورس است.

دو نوع اصلی از ترانزیستور پیوندی اثر میدان وجود دارد، JFET کانال N و JFET کانال P. کانال JFET نوع N آلائیده شده است با ناخالصی دهنده ها ، به این معنی که جاری شدن جریان داخل کانال منفی است (به خاطر همین به آن می گویند کانال N) در قالب الکترون ها.

همچنین کانال JFET نوع P ناخالص شده است با ناخالصی پذیرنده ها به این معنی که جاری شدن جریان در قالب حفره ها داخل کانال است (به همین دلیل به آن می گویند کانال P). JFET کانال  نسبت به نوع کانال P معادل آن N قابلیت هدایت بیشتری دارد ( و مقاومت کم تر) ، چون الکترون ها داخل یک رسانا در مقایسه با حفره ها تحرک زیادتری دارند. این JFET کانال N را در مقایسه با کانال P به یک رسانای کارآمدتر تبدیل می کند.

قبلا گفته ایم که دو اتصال الکتریکی اهمی در هر دو انتهای کانال به نام درین و سورس وجود دارد. اما داخل این کانال یک اتصال الکتریکی سومی هم وجود دارد به نام ترمینال گیت و این می تواند مواد نوع N یا نوع P نیز باشد که یک پیوند PN با کانال اصلی را تشکیل می دهد. ارتباط بین اتصالات یک ترانزیستور پیوندی اثر میدان و یک ترانزیستور پیوندی دو قطبی در زیر مقایسه شده است.

مقایسه اتصالات بین یک JFET و یک BJT

علائم و ساختار اصلی برای هردو آرایش JFET در زیر نشان داده شده است.

کانال نیمه هادی ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک مسیر مقاومتی است که از طریق آن ،ولتاژ VDSباعث می شود یک جریان  IDجاری شود و همین طور ترانزیستور می تواند جریان را به طور مساوی در دو جهت هدایت کند. از آنجایی که ماهیت کانال مقاومتی است ، یک ولتاژ پائین طول کانال تشکیل می شود که در این صورت ولتاژ کمتر مثبت می شود به طوریکه از پایه درین به سورس می رویم. نتیجه این است که پیوند PN یک بایاس معکوس بالا در پایه ی درین دارد و یک بایاس معکوس پایین تر در پایه ی سورس. این بایاس باعث می شود یک لایه ی تخلیه داخل کانال تشکیل شود و پهنای آن با بایاس افزایش یابد.

میزان جریان جاری داخل کانال بین پایه های درین و سورس توسط ولتاژ اعمال شده به پایه ی گیت قابل کنترل است، بطوری که در بایاس معکوس باشد. در یک JFET کانال N این ولتاژ گیت منفی است در حالی که برای یک JFET کانال P ولتاژ گیت مثبت است. تفاوت اصلی بین JFET و BJT این است که هنگامی که پیوند JFET بایاس معکوس شده است جریان گیت تقریبا صفر است در حالی که جریان بیس BJT همیشه یک مقداری بیشتر از صفر است.

بایاسینگ JFET کانال N

شکل بالا یک کانال نیمه هادی نوع N را نشان می دهد با یک بخش نوع P به نام گیت که داخل کانال نوع N نشت کرده است و یک پیوند PN بایاس معکوس شده را تشکیل می دهد و آن پیوندی است که ناحیه ی تهی را در اطراف سطح گیت تشکیل می دهد وقتی که هیچ ولتاژ خارجی اعمال نشده است. JFET ها به عنوان دستگاههای حالت تهی شناخته شده اند. این ناحیه تهی یک پتانسیل با ضخامت های مختلف اطراف پیوند PN ایجاد می کند و جریان جاری داخل کانال را با کاهش پهنای آن و سپس افزایش مقاومت کلی کانال محدود می کند.

بنابراین ما می توانیم تهی ترین بخش از ناحیه ی تهی را بین درین و سورس ببینیم در حالی که ناحیه ی حداقل تهی بین گیت و سورس است. بنابراین کانال JFET با ولتاژ بایاس صفر هدایت می کند ( برای مثال ناحیه ی تهی پهنای نزدیک صفر دارد).

وقتی ولتاژ خروجی گیت صفر است  ( VG = 0 ) و یک ولتاژ کوچک بین درین و سورس اعمال می شود ، حداکثر جریان داخل کانال از درین به سورس جاری خواهد شد که فقط توسط ناحیه تهی کوچک اطراف پیوندها محدود شده است.

اگر یک ولتاژ منفی کوچک به گیت اعمال شود ، سایز ناحیه ی تهی افزایش می یابد که باعث کاهش سطح موثر کانال و در نتیجه کاهش جریان جاری داخل آن می شود ، یک نوع از فشردگی اتفاق می افتد. اعمال یک ولتاژ بایاس معکوس پهنای ناحیه ی تهی را  افزایش می دهد که به نوبه ی خود رسانائی کانال را کاهش می دهد.

چون که پیوند PN بایاس معکوس شده است جریان کوچکی داخل اتصال گیت جاری خواهد شد. ازآنجایی که ولتاژ گیت ( VGS ) منفی تر شده است پهنای کانال کاهش می یابد تا وقتی که هیچ جریانی بین درین و سورس جاری نمی شود، در این حالت می گویند FET ، pinch-off شده است( شبیه ناحیه ی قطع برای یک BJT). به ولتاژی که باعث مسدود شدن کانال شده است را ولتاژ pinch-off می گویند.

Pinch-off

در ناحیه Pinch-off ولتاژ گیت (VGS) جریان کانال را کنترل می کند و VDS اثر کمی دارد یا اثری ندارد.

نتیجه این است که FET بیشتر شبیه یک مقاومت کنترل ولتاژ عمل می کند، که وقتی که VGS = 0  است مقاومت صفر است و وقتی که ولتاژ گیت خیلی منفی است حداکثر مقاومت را دارد. در شرایط عادی، گیت JFET همیشه به طور منفی  نسبت سورس بایاس می شود .

لازم است که ولتاژ گیت هیچ وقت مثبت نباشد زیرا اگر مثبت باشد همه ی جریان کانال به گیت جاری خواهد شد و نه به سورس، و نتیجه این است که JFET آسیب می بیند .

ترانزیستور JFET با کانال P مانند کانال N عمل می کند، با استثنائات زیر:

1) جریان کانال به خاطر حفره ها مثبت است.

2) قطبیت ولتاژ بایاسینگ باید معکوس شود.

منحنی های V-I مشخصه خروجی یک ترانزیستور پیوندی اثر میدان

ولتاژ VGS اعمال شده به گیت، جریان جاری بین پایه های درین و سورس را کنترل می کند. VGS  به ولتاژ اعمال شده بین گیت و سورس در حالی که VDS  به ولتاژ اعمال شده بین درین و سورس اشاره دارد. چون که ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک دستگاه کنترل ولتاژ است هیچ جریانی داخل گیت جاری نمی شود، بنابراین جریان سورس جاری خارج از دستگاه برابر است با جریان درین جاری داخل آن و بنابراین  ( ID = IS ).

منحنی مشخصه ی بالا چهار ناحیه ی مختلف از عملکرد یک JFET را نشان می دهد که عبارتند از:

ناحیه ی اهمی: هنگامی که VGS = 0  است لایه ی تهی کانال خیلی کوچک است و JFET مانند یک مقاومت کنترل ولتاژ عمل می کند.

ناحیه ی قطع: این ناحیه به عنوان یک ناحیه pinch-off نیز شناخته می شود و ولتاژ گیت VGS کافی موجب می شود JFET به عنوان یک مدار باز عمل کند در این حالت مقاومت کانال حداکثر است.

ناحیه فعال یا اشباع: در این حالت ترانزیستور هدایت می کند و توسط ولتاژ گیت-سورس ( VGS ) کنترل می شود در حالی که ولتاژ درین-سورس اثر کمی دارد یا اصلا اثری ندارد.

ناحیه ی شکست: ولتاژ بین درین و سورس(VDS) به اندازه ی کافی بالاست که باعث می شود مقاومت کانال JFET شکسته شود و حداکثر جریان کنترل نشده ای عبور کند.

منحنی مشخصه ترانزیستور  JFETبا کانال P، همانند شکل بالاست با این تفاوت که جریان درین با افزایش مثبت ولتاژ گیت-سورس کاهش می یابد.

جریان درین صفر است هنگامی که  VGS = VP است. برای کاربرد عادی، VGS  محلی بین  VPو صفر بایاس می شود. بنابراین ما می توانیم جریان درین را در هر نقطه ای که ترانزیستور بایاس شده، در ناحیه ی فعال یا اشباع اندازه بگیریم، که عبارتست از:

جریان درین در ناحیه ی فعال

توجه کنید که مقدار جریان درین بین صفر (pinch-off) و IDSS(حداکثر جریان) خواهد بود. با دانستن جریان درین  ID و ولتاژ درین- سورس، مقاومت کانال به این صورت داده شده است

مقاومت کانال درین-سورس

gm  بهره هدایت انتقالی ست. چون که JFET یک دستگاه کنترل ولتاژ است و آهنگ تغییر جریان درین را نسبت به تغییر ولتاژ درین-سورس نشان می دهد.

حالت های FET

مانند ترانزیستور پیوندی دو قطبی، ترانزیستور اثر میدان هم یک دستگاه سه پایه است که دارای سه حالت مجزا در کاربرد است و می تواند داخل یک مدار در یکی از آرایش های زیر متصل شود:

آرایش سورس مشترک

در آرایش سورس مشترک (شبییه به امیتر مشترک) همان طوری که نشان داده شده است، ورودی اعمال می شود به گیت و خروجی اش از درین گرفته می شود. این شایع ترین حالت کاربرد FET است به خاطر امپدانس ورودی بالای آن و تقویت ولتاژ خوب و از این لحاظ سورس مشترک به طور گسترده ای استفاده می شود.

حالت سورس مشترک ازاتصال FET به طور کلی استفاده می شود به عنوان تقویت کننده های فرکانس صوتی و در امپدانس ورودی بالا پیش تقویت کننده و … . در این حالت ولتاژ ورودی نسبت به خروجی 180 درجه اختلاف فاز دارد.

آرایش گیت مشترک 

در آرایش گیت مشترک (مشابه با بیس مشترک) همان طوری که نشان داده شده است ،ورودی اعمال می شود به سورس و خروجی آن از درین گرفته می شود با گیتی که مستقیما به زمین وصل شده است.

ویژگی امپدانس ورودی بالا از اتصال قبلی در این آرایش وجود ندارد به طوری که گیت مشترک یک امپدانس ورودی پایین دارد و یک امپدانس خروجی بالا.

این نوع از آرایش FET می تواند در مدارهای فرکانس بالا یا در مدارهای تطبیق امپدانس استفاده شود، جایی که لازم است امپدانس ورودی پایین با امپدانس خروجی بالا تطبیق داده شود. خروجی با ورودی هم فاز است.

آرایش درین مشترک

در آرایش درین مشترک ( مانند کلکتور مشترک)، ورودی اعمال می شود به گیت و خروجی از سورس گرفته می شود. آرایش درین مشترک یا” پیرو سورس” دارای امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی پائین است و بهره ی ولتاژی نزدیک به یک می باشد بنابراین در تقویت کننده بافر استفاده می شود. بهره ولتاژ از آرایش پیرو سورس کمتر از یک  است و سیگنال خروجی هم فاز با سیگنال ورودی است.

تقویت کننده JFET

درست مثل ترانزیستور پیوندی دو قطبی ، JFET می تواند برای ساخت مدارهای تقویت کننده تک مرحله ی کلاس A با تقویت کننده سورس مشترک JFET استفاده شود و مشخصه ها خیلی شبیه به مدار امیتر مشترک BJT می باشد. مزیت اصلی تقویت کننده JFET نسبت به تقویت کننده BJT امپدانس ورودی بالای آنهاست که توسط شبکه مقاومتی بایاسینگ گیت کنترل می شود و همان طوری که نشان داده شده است توسط R1 و R2 تشکیل شده است.

بایاسینگ تقویت کننده JFET

مدار تقویت کننده سورس مشترک در حالت کلاس A بایاس می شود با شبکه مقسم ولتاژ که توسط مقاومت های R1 و R2 تشکیل شده است. ولتاژ در مقابل مقاومت سورس حدود یک چهارم VDD مقدار داده می شود( VDD /4 )  اما هر مقدار قابل قبولی می تواند باشد. ولتاژ گیت مورد نیاز می تواند از مقدار RS  اندازه گیری شود. از آنجایی که جریان گیت صفر است ( IG = 0 ) ما می توانیم با انتخاب مناسب مقاومت های R1 و R2، ولتاژ ساکن DC موردنیاز را مقداردهی کنیم.

کنترل جریان درین توسط پتانسیل  منفی گیت ترانزیستور پیوندی اثر میدان را به عنوان یک سوئیچ مفید می سازد . ولتاژ گیت هرگز نباید برای یک JFET نوع کانال N مثبت باشد چون در این صورت جریان کانال به گیت جاری خواهد شد نه به درین و این باعث آسیب رساندن به JFET می شود. اصول کار برای یک JFET نوع P همان اصولی است که برای JFET نوع N است با این تفاوت که قطبیت ولتاژها باید معکوس شود.

بازار برق ارائه دهنده خدماتی همچون:  خرید قطعات الکترونیکی ، خرید عمده قطعات الکترونیکی ،  فروش قطعات الکترونیکی ، خازن الکترولیتی، خازن پلی استر، مقاومت SMD ، مقاومت آجری، مقاومت ۱/۴ وات ، مقاومت ۲ وات ، قطعات الکترونیکی برق صنعتی ، مبدل برق خودرو، ترمینال فونیکس ، کانکتور PH (مینیاتوری) ، کانکتور xh (دزدگیری) ، کانکتور sm ، کانکتور نظامی ، کانکتور پاور قفل دار (vh) ، کانکتور پاور بدون قفل ، کانکتور مخابراتی، پین فلزی کانکتور می باشد.