Спай затвор полевой транзистор ( JFET ) является одним из простейших типов полевого транзистора . [1] JFET - это трехконтактные полупроводниковые устройства, которые можно использовать в качестве переключателей или резисторов с электронным управлением или для создания усилителей .
Тип | Активный |
---|---|
Конфигурация контактов | сток, вентиль, исток |
Электронный символ | |
В отличие от транзисторов с биполярным переходом, полевые транзисторы управляются исключительно напряжением, поскольку им не нужен ток смещения . Электрический заряд протекает через полупроводниковый канал между выводами истока и стока . При подаче напряжения обратного смещения на вывод затвора канал «защемляется», так что электрический ток затрудняется или полностью отключается. JFET обычно находится в состоянии «включено», когда между его выводами затвора и истока нет напряжения. Если между его выводами затвора и истока применяется разность потенциалов правильной полярности, JFET будет более резистентным к протеканию тока, что означает, что в канале между выводами истока и стока будет протекать меньший ток. JFET-транзисторы иногда называют устройствами с режимом истощения , поскольку они основаны на принципе обедненной области, в которой отсутствуют основные носители заряда. Область истощения должна быть закрыта, чтобы ток мог течь.
JFET-транзисторы могут иметь канал n-типа или p-типа . В n-типе, если напряжение, приложенное к затвору, является отрицательным по отношению к источнику, ток будет уменьшен (аналогично в p-типе, если напряжение, приложенное к затвору, является положительным по отношению к источнику). JFET имеет большое входное сопротивление (иногда порядка 10 10 Ом), что означает, что он оказывает незначительное влияние на внешние компоненты или схемы, подключенные к его затвору.
История
Последовательность устройств, подобных полевым транзисторам, была запатентована Юлиусом Лилиенфельдом в 1920-х и 1930-х годах. Тем не менее, материаловедение и технология изготовления потребуют десятилетий прогресса, прежде чем полевые транзисторы смогут действительно быть произведены.
JFET был впервые запатентован Генрихом Велкером в 1945 году. [2] В 1940-х годах исследователи Джон Бардин , Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Шокли пытались построить полевой транзистор, но их неоднократные попытки потерпели неудачу. Они обнаружили точечный транзистор, пытаясь диагностировать причины своих неисправностей. После теоретического рассмотрения Шокли на JFET в 1952 году, в 1953 году Джорджем К. Дейси и Яном М. Россом был создан рабочий практический JFET . [3] Японские инженеры Дзюн-ичи Нисидзава и Ю. Ватанабе в 1950 году подали заявку на патент на аналогичное устройство, получившее название транзистор статической индукции (SIT). SIT - это тип JFET с коротким каналом. [3]
Высокоскоростное переключение высокого напряжения с помощью JFET стало технически возможным после коммерческого внедрения широкозонных устройств из карбида кремния (SiC) в 2008 году. Из-за ранних трудностей в производстве - в частности, несоответствий и низкого выхода - SiC JFET остались нишей продукт в первую очередь, с соответственно высокими затратами. К 2018 году эти производственные проблемы в основном были решены. К тому времени SiC JEFET также широко использовались в сочетании с обычными низковольтными кремниевыми полевыми МОП-транзисторами. [4] В этой комбинации SiC JFET + Si MOSFET устройства обладают преимуществами устройств с широкой запрещенной зоной, а также легкостью управления затвором полевых МОП-транзисторов. [4]
Состав
JFET представляет собой длинный канал из полупроводникового материала, легированного для содержания в большом количестве положительных носителей заряда или дырок ( p-тип ), или отрицательных носителей или электронов ( n-тип ). Омические контакты на каждом конце образуют исток (S) и сток (D). Р-переход сформирован на одной или обеих сторонах канала, или вокруг него , используя область с легированием , противоположного канала, и смещен с использованием омического контакта затвора (G).
Функции
Работу JFET можно сравнить с работой садового шланга . Поток воды через шланг можно контролировать, сжимая его, чтобы уменьшить поперечное сечение, а поток электрического заряда через полевой транзистор регулируется путем сужения токоведущего канала. Ток также зависит от электрического поля между истоком и стоком (аналогично разнице давлений на обоих концах шланга). Эта зависимость по току не поддерживается характеристиками, показанными на диаграмме над определенным приложенным напряжением. Это область насыщения , и JFET обычно работает в этой области постоянного тока, где ток устройства практически не зависит от напряжения сток-исток. JFET разделяет эту характеристику постоянного тока с переходными транзисторами и с термоэлектронными ламповыми (вентильными) тетродами и пентодами.
Сужение проводящего канала достигается за счет эффекта поля : напряжение между затвором и истоком прикладывается для обратного смещения pn-перехода затвор-исток, тем самым расширяя слой истощения этого перехода (см. Верхний рисунок), вторгаясь в проводящий канал и ограничивая его площадь поперечного сечения. Слой обеднения называется так, потому что он обеднен мобильными носителями и поэтому электрически непроводящий для практических целей. [5]
Когда обедненный слой перекрывает ширину проводящего канала, происходит отсечение и прекращается проводимость сток-исток. Заклинивание происходит при определенном обратном смещении ( V GS ) перехода затвор-исток. Отсечки напряжения (V р ) (также известный как порогового напряжения [6] [7] или напряжение отсечки [8] [9] [10] ) значительно варьируется, даже среди устройств одного и того же типа. Например, V GS (выключен) для устройства Temic J202 изменяется от -0,8 V до -4 V . [11] Типичные значения изменяются от -0.3 V до -10 V . (Что сбивает с толку, термин напряжение отсечки также используется для обозначения значения V DS, которое разделяет линейные области и области насыщения. [9] [10] )
Чтобы отключить н канальное устройство требует п egative напряжения затвор-исток ( V GS ). С другой стороны , чтобы выключить P канальное устройство требует р ositive V GS .
При нормальной работе электрическое поле, создаваемое затвором, до некоторой степени блокирует проводимость исток – сток.
Некоторые устройства JFET симметричны относительно истока и стока.
Схематические символы
Затвор JFET иногда рисуется в середине канала (вместо электрода стока или истока, как в этих примерах). Эта симметрия предполагает, что «сток» и «исток» взаимозаменяемы, поэтому символ следует использовать только для тех полевых транзисторов, где они действительно взаимозаменяемы.
Символ может быть нарисован внутри круга (представляющего огибающую дискретного устройства), если корпус важен для работы схемы, например, компоненты, согласованные по двум параметрам в одном корпусе. [12]
В любом случае острие стрелки показывает полярность P – N перехода, образованного между каналом и затвором. Как и в случае с обычным диодом , стрелка указывает от P к N, направление обычного тока при прямом смещении. Английский мнемонические является то , что стрелка устройства N-канал «точек я п ».
Сравнение с другими транзисторами
При комнатной температуре ток затвора JFET (обратная утечка перехода затвор-канал ) сравним с током MOSFET (который имеет изолирующий оксид между затвором и каналом), но намного меньше, чем ток базы биполярного переходного транзистора. . JFET имеет более высокое усиление ( крутизну ), чем MOSFET, а также более низкий фликкер-шум , и поэтому используется в некоторых малошумящих операционных усилителях с высоким входным сопротивлением .
Математическая модель
Линейная омическая область
Ток в N-JFET из-за небольшого напряжения V DS (то есть в линейной или омической [13] или триодной области [6] ) задается путем рассмотрения канала как прямоугольного стержня из материала с электропроводностью. : [14]
где
- I D = ток сток – исток,
- b = толщина канала для данного напряжения затвора,
- W = ширина канала,
- L = длина канала,
- q = заряд электрона = 1,6 · 10 −19 Кл,
- μ n = подвижность электронов ,
- N d = концентрация легирования (донора) n-типа,
- V P = напряжение отсечки.
Тогда ток стока в линейной области можно аппроксимировать как
С точки зрения , ток стока можно выразить как [ необходима цитата ]
Постоянно текущая область
Ток стока в насыщении или активный [15] [6] или пинч-офф области [16] часто аппроксимируется в терминах смещения затвора в [14]
где я ДСС это ток насыщения при нулевом напряжении затвор-исток, то есть максимальный ток , который может протекать через полевой транзистор от стока к истоку в любой (допустимой) сток-исток напряжения (смотри, например, I - V характеристики Диаграмма выше).
В области насыщения ток стока полевого транзистора наиболее сильно зависит от напряжения затвор-исток и практически не зависит от напряжения сток-исток.
Если легирование канала является однородным, так что толщина обедненной области будет расти пропорционально квадратному корню из абсолютного значения напряжения затвор-исток, тогда толщину канала b можно выразить через толщину канала без смещения a как [ необходима цитата ]
где
- V P - напряжение отсечки - напряжение затвор-исток, при котором толщина канала стремится к нулю,
- a - толщина канала при нулевом напряжении затвор – исток.
Крутизна
Крутизна переходного полевого транзистора определяется выражением
где - напряжение отсечки, а I DSS - максимальный ток стока. Это также называется или же (для передачи ). [17]
Смотрите также
- Постоянный диод
- Фетрон
- МОП-транзистор
- MESFET
Рекомендации
- ^ Холл, Джон. "Дискретный полевой транзистор" (PDF) . linearsystems.com .
- ^ Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
- ^ a b Переходные устройства с полевым эффектом , Полупроводниковые устройства для регулирования мощности , 1982.
- ^ а б Флаэрти, Ник (18 октября 2018 г.), «SiC JFET третьего поколения добавляет опции на 1200 В и 650 В» , EeNews Power Management.
- ^ Для обсуждения структуры и работы JFET см., Например, Д. Чаттопадхьяй (2006). «§13.2 Переходный полевой транзистор (JFET)» . Электроника (основы и приложения) . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 269 и далее . ISBN 978-8122417807.
- ^ а б в "Переходный полевой транзистор (JFET)" (PDF) . Лекционные заметки ETEE3212 .
значение v GS ..., при котором канал полностью истощен ... называется пороговым или отсечным напряжением и возникает при v GS = V GS (OFF) . ... Эта линейная область работы называется омической (или иногда триодной) ... За пределами изгиба омической области кривые становятся практически плоскими в активной (или насыщенной ) области работы.
- ^ Sedra, Adel S .; Смит, Кеннет С. "5.11 ПЕРЕХОДНЫЙ ТРАНЗИСТОР ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА (JFET)" (PDF) . Микроэлектронные схемы .
При этом значении V GS канал полностью истощены ... Для JFETs пороговое напряжение называется отсечки напряжения и обозначается V P .
- ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Кембридж [Англия]: Издательство Кембриджского университета. п. 120. ISBN 0-521-37095-7. OCLC 19125711 .
Для полевых транзисторов напряжение затвор-исток, при котором ток стока приближается к нулю, называется «напряжением отсечки затвор-исток», V GS (OFF) , или «напряжением отсечки», V P ... аналогичная величина - «пороговое напряжение»
- ^ а б Мехта, ВК; Мехта, Рохит (2008). "19 полевых транзисторов" (PDF) . Основы электроники (11-е изд.). С. Чанд. С. 513–514. ISBN 978-8121924504. OCLC 741256429 .
Отключите напряжение ( V P ). Это минимальное напряжение сток – исток, при котором ток стока становится практически постоянным. ... Напряжение отключения затвор – исток V GS (off) . Это напряжение затвор-исток, при котором канал полностью отключен и ток стока становится равным нулю.
- ^ а б UA Bakshi; А. П. Годсе (2008). Электроника . Технические публикации. п. 10. ISBN 978-81-8431-503-5.
Не путайте отрезание с отщипыванием. Отсечки напряжения V P это значение V DS , при котором ток стока достигает постоянного значения для заданного значения V GS . ... Напряжение отсечки V GS (off) - это значение V GS, при котором ток стока равен 0.
- ^ «Технический паспорт J201» (PDF) . Источник 2021-01-22 .
- ^ «А4.11 Конверт или Вложение». ANSI Y32.2-1975 (PDF) .
Обозначение конверта или корпуса может быть опущено в символе, относящемся к этому абзацу, если это не приведет к путанице
- ^ «Что такое омическая область полевого транзистора» . www.learningaboutelectronics.com . Проверено 13 декабря 2020 .
омическая область ... также называемая линейной областью
- ^ а б Балбир Кумар и Шаил Б. Джайн (2013). Электронные устройства и схемы . PHI Learning Pvt. Ltd. С. 342–345. ISBN 9788120348448.
- ^ «Переходный полевой транзистор» . Учебники по электронике .
Насыщенность или активная область
- ^ Шольберг, Кейт (23 марта 2017 г.). «Что означает« зона отсечки »?» .
«Область отсечки» (или «область насыщения») относится к работе полевого транзистора с более нескольких вольт.
- ^ Кирт Блаттенбергер RF Кафе. "JFETS: как они работают, как их использовать, май 1969 Радиоэлектроника" . Проверено 2021 января .
y fs - слабосигнальный, общий источник, прямое пропускание (иногда называемое g fs -проводимостью)
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с JFET, на Викискладе?
- Лаборатория физики 111 - JFET Circuits I
- Интерактивное объяснение n-канального JFET