σελ 110-120
4.5 Τρανζίστορ εγκάρσιου πεδίου επαφής (JFET)
4.5.1 Δομή
Το τρανζίστορ εγκαρσίου πεδίου επαφής (Junction Field Effect Transistor, FET), γνωστό και ως JFET, είναι ένα μονοπολικό τρανζίστορ. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι βασίζει τη λειτουργία του σε ένα μόνο είδος φορέων, δηλαδή σε ηλεκτρόνια < σε οπές, σε αντίθεση με το κοινό τρανζίστορ που ονομάζεται και διπολικό και η λειτουργία του βασίζεται και στα δυο αυτά είδη φορέων.
Απαγωγός (D)
Πηγή (S)
Πυλη
(α)
(γ)
Σχήμα 4.5.1 Αρχή (α) κατασκευής ενός JFET, με (β) δυο πύλες ή (γ) με μια πυλη
N
Η αρχή κατασκευής ενός JFET βασίζεται στην επιλογή ενός τμήματος ημιαγωγου, π.χ. τυπου-Ν, στο οποίο προστίθενται στις δυο πλευρές του περιοχές τυπου-Ρ (βλέπε σχ.4.5.1). Η συγκέντρωση των προσμίξεων στις περιοχές τυπου-Ρ είναι πολυ ψηλότερες από αυτή του καναλιου. Κάθε μία από τις περιοχές τυπου-Ρ καλείται πυλη (gate). Τα δυο άκρα του τμήματος τυπου-Ν ονομάζονται αντίστοιχα πηγή (source) και απαγωγός (drain), ενώ το τμήμα του ημιαγωγου τυπου-Ν, το οποίο βρίσκεται ανάμεσα στις περιοχές τυπου-Ρ, ονομάζεται κανάλι ή δίαυλος (channel). Ανάλογα με τον τυπο του ημιαγωγου του καναλιου ορίζεται και ο τυπος του JFET. Έτσι υπάρχουν JFET n-καναλιου ή p-καναλιου (n-channel ή p-channel). Ένα JFET μπορεί να έχει μια μόνο πυλη, αν ενώνονται οι δυο περιοχές τυπου-Ρ. Σε αντίθετη περίπτωση το JFET θα έχει δυο πυλες (τέτοιες ηλεκτρονικές διατάξεις χρησιμοποιουνται σε ειδικά κυκλώματα μεταλλαγής συχνότητας στους δέκτες). Επειδή είναι περισσότερο διαδεδομένες οι διατάξεις με μια πυλη, σε αυτές θα επικεντρωθεί και η ανάλυση που θα ακολουθήσει.
Υπάρχει αναλογία μεταξυ των JFET και των διπολικών τρανζίστορ. Λόγω αυτής της αναλογίας, πολλοί τυποι που περιγράφουν κυκλώματα JFET προέρχονται από τους αντίστοιχους των διπολικών τρανζίστορ, που έχουν απλώς προσαρμοστεί για την περίπτωση των JFET. Η αντιστοιχία των ονομάτων και των συμβόλων των ακροδεκτών παρουσιάζεται στον πιν.4.5.1. Απλό παράδειγμα αυτής της αντιστοιχίας αποτελεί ο συμβολισμός των συνεχών ρευμάτων του εκπομπου ΙΕ, της βάσης ΙΒ και του συλλέκτη IC των διπολικών τρανζίστορ με εκείνο των συνεχών ρευμάτων της πηγής IS, της πυλης IG και του απαγωγου ID των JFET.
Διπολικό Τρανζίστορ
JFET
Διπολικό Τρανζίστορ
JFET
Εκπομπός
Πηγή
E
S
Βάση
Πυλη
B
G
Συλλέκτης
Απαγωγός
C
D
Πίνακας 4.5.1 Αντιστοιχία ονομάτων και συμβολισμών ακροδεκτών διπολικού τρανζίστορ και JFET
Ο D
GO
(α) 0 S (β) Ο S
Σχήμα 4.5.2 Κυκλωματικά σύμβολα JFET (α) n-καναλιου και (β) p-καναλιου
Το κυκλωματικό συμβολο ενός JFET παρουσιάζεται στο σχ. 4.5.2. Για μνημονικό βοήθημα πρέπει να θεωρηθεί, ότι η λεπτή κατακόρυφη γραμμή αντιστοιχεί στο κανάλι. Η πηγή και ο απαγωγός συνδέονται με αυτή τη γραμμή. Επιπλέον, το βέλος της πυλης δείχνει προς τον ημιαγωγό τυπου-Ν, όπως στην κοινή δίοδο. Έτσι, αν το βέλος δείχνει προς το κανάλι το JFET είναι n-καναλιου (σχ.4.5.2α) ενώ, αν έχει αντίθετη κατευθυνση, είναι p-καναλιου (σχ.4.5.2β).
4.5.2 Αρχή λειτουργίας
Η λειτουργία ενός JFET βασίζεται στην επαφή πυλης-καναλιου, η οποία στο εξής θα ονομάζεται επαφή ή δίοδος πυλης για λόγους απλότητας. Η περιοχή φορτίου χώρου της επαφής έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διατομής του καναλιού και συνεπώς τη μεταβολή της αντίστασης του, βλέπε σχήμα 4.5.3α. Έτσι μεταβάλλοντας την πόλωση της διόδου πυλης, μεταβάλλεται το ευρος της περιοχής φορτίου χώρου της επαφής και συνεπώς η αντίσταση του καναλιου άρα ελέγχεται το ρευμα το οποίο διαρρέει το JFET. O όρος επίδραση πεδίου σχετίζεται με την περιοχή φορτίου χώρου που δημιουργείται στην επαφή πυλης.
(α)
(γ)
Σχήμα 4.5.3 (α) Περιοχές φορτίων χώρου, (β) κανονική πόλωση JFET
και (γ) χαρακτηριστική καμπυλη ρεύματος στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης
Τυπικό κυκλωμα πόλωσης ενός JFET καναλιου τυπου-Ν παρουσιάζεται στο σχήμα 4.5.3β. Στο κυκλωμα χρησιμοποιουνται δυο πηγές τάσης. Η πρώτη συνδέεται μεταξυ απαγωγου και πηγής η VDD και παρέχει την τάση απαγωγου VDS. Η δευτερη συνδέεται μεταξυ πυλης και πηγής η VGG και παρέχει την τάση πυλης VGS. Η VGG πολώνει ανάστροφα τη δίοδο πυλης με αποτέλεσμα το ρευμα πυλης IG να είναι πάρα πολυ μικρό και συνεπώς η αντίσταση εισόδου πάρα πολυ μεγάλη. Επιπλέον, η τάση της πυλης διαμορφώνει, όπως προαναφέρθηκε, την αντίσταση του καναλιου. Στο σχήμα (4.5.4) παρουσιάζεται μια γραφική παράσταση των χαρακτηριστικών ρευμάτων απαγωγου ID συναρτήσει της τάσης απαγωγου VDS για διάφορες τιμές της τάσης πυλης. Η ομοιότητα της με τη χαρακτηριστική καμπυλη συλλέκτη των διπολικών τρανζίστορ είναι αξιοσημείωτη. Για μικρές τιμές της τάσης απαγωγού το ρεύμα απαγωγού αυξάνει αποτομα και γίνεται σχεδόν οριζοντιο στην ενεργό περιοχή. Ανάμεσα στη VP και VDS(max), το ρεύμα απαγωγού είναι σχεδόν σταθερό.
Όταν η τάση απαγωγού γίνει πολύ μεγάλη και υπερβεί την τιμή Βν^,που είναι η τάση κατάρρευσης με γειωμένη την πηγη, το JFET, όπως φαίνεται στο σχήμα (4.5.3) και (4.5.4), καταρρέει. Όπως και στα διπολικά τρανζίστορ, η ενεργός περιοχή εκτείνεται κατά μήκος του (σχεδόν) οριζόντιου τμήματος της χαρακτηριστικής καμπύλης. Σε αυτή την περιοχή το JFET λειτουργεί ως πηγή ρεύματος. Σε κάθε καμπύλη ρεύματος απαγωγού συναρτήσει της τάσης απαγωγού διακρίνουμε τα εξής:
VGS=0
VcS(off)
Vp
VD
Σχήμα 4.5.4 Χαρακτηριστικές καμπύλες απαγωγού
Κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης: Όταν η τάση της πύλης μηδενιστεί, τότε η πύλη και η πηγή βραχυκυκλώνουν. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης και σε αυτή αντιστοιχεί το «ρεύμα απαγωγού στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης».
Ρεύμα απαγωγού στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης: Στο
σχήμα 4.5.3γ οι δείκτες του IDSS λαμβάνονται από την έκφραση "από τον απαγωγό (Drain) προς την πηγή (Source) με βραχυκυκλωμένη πύλη (Shorted-gate)". Τα φυλλάδια των κατασκευαστών δίνουν το IDSS μέσα στην ενεργό περιοχή. Είναι πολύ βασικό να θυμάται ο αναγνώστης το εξής: Επειδή στην ενεργό περιοχή η καμπύλη είναι σχεδόν επίπεδη, το IDSS προσεγγίζει πολύ ικανοποιητικά το ρεύμα του απαγωγού σε οποιαδηποτε σημείο της ενεργου περιοχής στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης. Επιπλέον, επειδή το IDSS αναφέρεται στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης, είναι το μέγιστο ρευμα απαγωγου που μπορεί να έχει το JFET σε κανονική λειτουργία. Όλες οι άλλες τιμές της τάσης πυλης είναι αρνητικές και προκαλουν μικρότερα ρευματα απαγωγού.
Τάση συμπίεσης: Η τάση συμπίεσης (pinch-off voltage) VP είναι η τάση απαγωγου πάνω από την οποία το ρευμα απαγωγου γίνεται περίπου σταθερό, στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης. Όταν η τάση απαγωγου γίνει ίση με VP, το αγώγιμο κανάλι γίνεται εξαιρετικά στενό (συμπιέζεται) και οι περιοχές φορτίου χώρου σχεδόν εφάπτονται. Αν η τάση απαγωγου αυξηθεί κι άλλο, το ρευμα του απαγωγου θα αυξηθεί ελάχιστα γιατί το ευρος του αγώγιμου καναλιου είναι πολυ μικρό και δεν μεταβάλλεται παρά ελάχιστα. Η τάση συμπίεσης χωρίζει τη χαρακτηριστική ενός JFET σε δυο περιοχές: την ενεργό περιοχή, η οποία ισχυει όταν η τάση απαγωγου είναι μεγαλυτερη της τάσης συμπίεσης, και την ωμική περιοχή, η οποία ισχυει όταν η τάση απαγωγου είναι μικρότερη της τάσης συμπίεσης. Η τελευταία λέγεται και ωμική διότι σ' αυτήν το ρευμα του απαγωγου είναι, σχεδόν, ανάλογο της τάσης απαγωγου, δηλαδή ισχυει ο νόμος του Ωμ, και πρακτικά δεν εξαρτάται από την τάση της πυλης. Επιπλέον η ωμική περιοχή αντιστοιχεί στην περιοχή κόρου των διπολικών τρανζίστορ. Στην ωμική περιοχή η αντίσταση μεταξυ των ακροδεκτών απαγωγου και πηγής υπολογίζεται πολυ ευκολα από την εξίσωση
VP
Rds = γ^ 4.5.1
1DSS
Τάση αποκοπής πυλης - πηγής: Οι χαρακτηριστικές απαγωγου μοιάζουν με τις χαρακτηριστικές συλλέκτη των διπολικών τρανζίστορ. Για παράδειγμα στο σχ.4.5.4 δίνονται οι χαρακτηριστικές ενός τυπικου JFET. Η υψηλότερη χαρακτηριστική δίνεται για VGS=0 V, για κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης. Η τάση συμπίεσης είναι περίπου 4 V και η τάση κατάρρευσης περίπου 30 V. Όπως φαίνεται στο σχήμα το IDSS είναι 10 mA. Όταν VGS=VGS(off), όπου VGS(off) είναι η τάση αποκοπής πυλης-πηγής (gate cutoff voltage), οι περιοχές φορτίου χώρου εφάπτονται και αποκόπτουν το ρευμα απαγωγου. Εφόσον η VP είναι η τάση απαγωγου, η οποία περιορίζει το ρευμα στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης, πρέπει να ισχυει
Χαρακτηριστική διαγωγιμότητας: Η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας (transconductance curve) ενός JFET είναι η γραφική παράσταση του ρευματος απαγωγου συναρτήσει της τάσης πυλης (βλ. σχ.4.5.5). Γενικά η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας οποιουδήποτε JFET έχει την ίδια μορφή, δηλαδή είναι τμήμα παραβολής. Αυτό οφείλεται στην αρχή λειτουργίας των JFET. Η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας περιγράφεται από την εξίσωση:
4.5.3
4.5.2
Μερικά φυλλάδια κατασκευαστών δεν αναφέρουν την VP, αλλά την
V
GS(off)
. Οι δυο αυτές τάσεις είναι αριθμητικά ίσες κατ' απόλυτη τιμή.
VGS(off)
Σχήμα 4.5.5 Χαρακτηριστική διαγωγιμότητας
η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί προσεγγιστικά για κάθε JFET. Με τη βοήθεια της εξ. 4.5.2 είναι δυνατόν να υπολογιστεί το ρευμα απαγωγου για κάθε τιμή της τάσης πυλης οταν είναι γνωστό το ρευμα απαγωγου σε κατάσταση γειωμενης πυλης, δηλ. το μέγιστο ρευμα του απαγωγου, και η τάση αποκοπής της πυλης-πηγής. Λόγω της παραβολικής μορφής της καμπυλης αυτής τα JFET ονομάζονται και διατάξεις τετραγωνικου νόμου.
4.5.3 Ανάγνωση τεχνικών χαρακτηριστικών
Τα φυλλάδια των τεχνικών χαρακτηριστικών των JFET μοιάζουν με εκείνα των διπολικών τρανζίστορ. Έτσι σε κάθε πίνακα διακρίνονται κατ' αρχήν οι μέγιστες εκτιμήσεις (maximum ratings), τα στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά, δηλ. συνεχούς και εναλλασσομένου, οι χαρακτηριστικές καμπύλες και τα μηχανικά χαρακτηριστικά, όπως το είδος κελύφους του JFET που εξετάζουμε. Στο παράρτημα παρουσιάζεται αντίγραφο μέρους του τεχνικού φυλλαδίου του JFET MPF102, το οποίο κατασκευάζεται από πολλές εταιρίες.
Στο τεχνικό φυλλάδιο αναφέρεται ο κωδικός αριθμός και ο τύπος του JFET. Στη συνέχεια αναφέρονται κάποιες βασικές εφαρμογές για τις οποίες έχει κατασκευαστεί η διάταξη, όπως οι ενισχυτές υψηλής συχνότητας, ταλαντωτές και μεταλλάκτες. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι απόλυτες μέγιστες εκτιμήσεις, οι οποίες αναφέρονται σε συνήθως σε θερμοκρασία 25AC εκτός αν επισημαίνεται. Αυτές αποτελούν φραγμό για τις εφαρμογές στις οποίες κάποιος σχεδιαστής ή συντηρητής έχει την πρόθεση να χρησιμοποιήσει το συγκεκριμένο JFET. Στη συνέχεια απεικονίζεται ο τύπος του κελύφους με τους ακροδέκτες και ακολουθούν τα χαρακτηριστικά συνεχούς (static) και εναλλασσόμενου (dynamic), όπου διακρίνονται η τάση αποκοπής VcS(off), το ρεύμα βραχυκυκλωμένης πύλης IDSS, η τάση κατάρρευσης της διόδου πύλης - πηγής BVcSS κλπ. Στα χαρακτηριστικά εναλλασσόμενου διακρίνεται η διαγωγιμότητα gfs, οι παρασιτικές χωρητικότητες κλπ. Τέλος, κάθε τεχνικό φυλλάδιο, όπως έχει προαναφερθεί, περιέχει και τις χαρακτηριστικές καμπύλες συνεχούς και εναλλασσόμενου.
Παράδειγμα 4.5.1
Στα τεχνικά χαρακτηριστικα του JFET MPF102, το οποίο είναι n - καναλιού βρίσκουμε ότι το ανάστροφο ρεύμα της πύλης του είναι:
IcSS = -2 nA για VcS = -15 V και VDS = 0 V
Ποιά είναι η αντίσταση πύλης-πηγής, δηλαδή εισόδου της διάταξης
για το συνεχές;
Λύση
Η αντίσταση εισόδου για το συνεχές είναι:
117
7500ΜΩ
cs 2nA '
RBE = 700ΚΩ
Το αποτέλεσμα αυτό μπορεί να συγκριθεί με την αντίστοιχη αντίσταση εισόδου, για το συνεχές, ενός διπολικού τρανζίστορ από τη βάση του οποίου διέρχεται ρεύμα 1μΑ:
0,7V
1μΑ
Η σύγκριση δείχνει την υπεροχή, σε ότι αφορά την αντίσταση εισόδου, των JFET ως προς τα διπολικά τρανζίστορ.
Παράδειγμα 4.5.2
O πίνακας χαρακτηριστικών ενός JFET δίνει: IDSS = 25 mA και VP = 4
V. Ποιο είναι το μέγιστο ρεύμα απαγωγού; Ποία είναι η τάση αποκοπής
της πύλης-πηγης;
Λύση
Για κάθε τιμή της τάσης πύλης, το ρεύμα απαγωγού πρέπει να βρίσκεται μεταξύ των ορίων:
0 < ID < 25 mA
Όταν η τάση της πύλης είναι μηδέν, το ρεύμα απαγωγού αποκτά τη μέγιστη τιμή
ID = 25 mA
Η τάση αποκοπής πύλης-πηγής είναι ίση με την τάση συμπίεσης,
αλλά με αντίθετο πρόσημο. Αφού η τάση συμπίεσης είναι ίση προς 4V
θα έχουμε
VcS(off) = -4 V
Παράδειγμα 4.5.3
Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του παραδείγματος 4.5.2 να υπολογίσετε την αντίσταση του JFET στην ωμική περιοχή.
Λύση
Η αντίσταση για το συνεχές στην ωμική περιοχή είναι ίση είναι με το πηλίκο της τάσης συμπίεσης προς το μέγιστο ρεύμα απαγωγού. Αρα,
Rdc = 160Ω DC 25ΤΙΑ
ΠΕΡΙΛΗΨΗ 4.5
• Ένα JFET αποτελείται από ένα τμήμα ημιαγωγου τυπου-Ν η τυπου-Ρ,
το οποίο ονομάζεται κανάλι. Τα δυο άκρα του καναλιου ονομάζονται
πηγή και απαγωγος. Στις δυο πλευρές του καναλιου υπάρχουν επαφές τυπου-Ρ αν το κανάλι είναι Ν-τυπου η τυπου-Ν αν το κανάλι είναι
Ρ-τυπου, οι οποίες ονομάζονται πυλη < πυλες, αν λειτουργουν ανεξάρτητα η μία από την άλλη.
• Υπάρχει αντιστοιχία μεταξυ των ηλεκτροδίων πηγή, πυλη και απαγωγος των JFET με τα ηλεκτρόδια εκπομπος, βάση και συλλέκτης των διπολικών τρανζίστορ.
• Η πυλη, με την περιοχή φορτίου χώρου, περιορίζει την ενεργό διατομή του καναλιου. Η αντίσταση του καναλιου η το ρευμα που το διαρρέει, μπορεί να ελέγχεται' αν πολωθεί ανάστροφα η επαφή πυλης πηγης.
• Στο σμήνος των χαρακτηριστικών ρευματος-τάσης απαγωγου συναρτήσει της τάσης πυλης ενός JFET, διακρίνονται τα εξής:
A. Το ρευμα απαγωγου στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης, το οποίο είναι το μέγιστο ρευμα της ενεργου περιοχής.
B. Η τάση συμπίεσης (VP), η οποία είναι η τάση απαγωγου πάνω από την οποία το ρευμα απαγωγου γίνεται πρακτικά σταθερό, στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πυλης.
Γ. Η τάση αποκοπής πυλης - πηγής (VGS(off)), για την οποία αποκόπτεται το ρευμα απαγωγου και είναι αριθμητικά ίση με την τάση συμπίεσης, αλλά με αντίθετο πρόσημο. Δ. Η ωμική περιοχή, στην οποία το ρευμα απαγωγου πρακτικά δεν εξαρτάται από την τάση της πυλης.
• Η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας παρέχει τη δυνατότητα υπολογισμου του ρευματος απαγωγου για κάθε τιμή της τάσης πυλης οταν είναι γνωστό το ρευμα απαγωγου σε κατάσταση γειωμένης πυλης και η τάση αποκοπής πυλης πηγής.
