JFET

JFET
	Электрический ток от истока к стоку в p-канальном JFET ограничивается, когда напряжение подается на затвор .
Тип	Активный
Конфигурация контактов	сток, ворота, источник
Электронный символ

Переходной полевой транзистор ( JFET ) — один из простейших типов полевого транзистора . ^[1] JFET — это трехполюсные полупроводниковые устройства, которые можно использовать в качестве с электронным управлением переключателей или резисторов , а также для создания усилителей .

В отличие от транзисторов с биполярным переходом , JFET управляются исключительно напряжением , поскольку им не требуется ток смещения . Электрический заряд течет через полупроводниковый канал между истока и стока клеммами . обратного смещения При подаче напряжения на вывод затвора канал зажимается , так что электрический ток затрудняется или полностью отключается. JFET обычно проводит ток, когда между его выводами затвора и истока имеется нулевое напряжение. Если между клеммами затвора и истока приложить разность потенциалов правильной полярности , полевой транзистор будет более устойчив к току, что означает, что в канале между клеммами истока и стока будет течь меньший ток.

JFET иногда называют устройствами с режимом обеднения , поскольку они основаны на принципе обедненной области , которая лишена большинства носителей заряда . Область истощения должна быть закрыта, чтобы обеспечить протекание тока.

JFET могут иметь канал n-типа или p-типа . В n-типе, если приложенное к затвору напряжение отрицательно по отношению к истоку, ток будет уменьшаться (аналогично в p-типе, если приложенное к затвору напряжение положительно по отношению к истоку). Поскольку JFET в конфигурации с общим истоком или общим стоком имеет большое входное сопротивление. ^[2] (иногда порядка 10 ¹⁰ Ом ), небольшой ток потребляется из цепей, используемых в качестве входа затвора.

История

Ряд устройств, подобных полевым транзисторам, был запатентован Юлиусом Лилиенфельдом в 1920-х и 1930-х годах. Однако материаловедение и технология производства потребуют десятилетий развития, прежде чем полевые транзисторы смогут быть действительно изготовлены.

JFET был впервые запатентован Генрихом Велькером в 1945 году. ^[3] В 1940-е годы 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 неудач. После теоретического рассмотрения JFET Шокли в 1952 году, рабочий практический JFET был создан в 1953 году Джорджем К. Дейси и Яном М. Россом . ^[4] Японские инженеры Дзюнъити Нисидзава и Ю. Ватанабэ в 1950 году подали заявку на патент на аналогичное устройство, названное статическим индукционным транзистором (СИТ). SIT — это тип JFET с коротким каналом. ^[4]

Высокоскоростное высоковольтное переключение с помощью JFET стало технически осуществимым после коммерческого внедрения устройств из карбида кремния (SiC) широкозонных в 2008 году. Из-за ранних трудностей в производстве - в частности, несоответствий и низкого выхода - SiC JFET оставались нишей. продукт на первом этапе с соответственно высокими затратами. К 2018 году эти производственные проблемы в основном были решены. К тому времени SiC JFET также широко использовались в сочетании с обычными низковольтными кремниевыми МОП-транзисторами. ^[5] В этой комбинации устройства SiC JFET + Si MOSFET обладают преимуществами устройств с широкой запрещенной зоной, а также простотой управления затвором MOSFET. ^[5]

Структура

JFET представляет собой длинный канал полупроводникового материала, легированного так, чтобы он содержал большое количество положительных носителей заряда или дырок ( p-типа ) или отрицательных носителей заряда или электронов ( n-типа ). Омические контакты на каждом конце образуют исток (S) и сток (D). Pn -переход формируется на одной или обеих сторонах канала или окружает его с помощью области с легированием, противоположным таковому канала, и подмагничивается с помощью омического контакта затвора (G).

Функции

Работу JFET можно сравнить с работой садового шланга . Потоком воды через шланг можно управлять, сжимая его для уменьшения поперечного сечения , а поток электрического заряда через JFET контролируется путем сужения канала, несущего ток. Ток также зависит от электрического поля между источником и стоком (аналогично разнице давлений на обоих концах шланга). Эта зависимость тока не поддерживается характеристиками, представленными на схеме выше определенного приложенного напряжения. 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, а также с тетродами и пентодами термоэмиссионных ламп (ламп).

Сужение проводящего канала достигается с помощью эффекта поля : напряжение между затвором и истоком прикладывается для обратного смещения pn-перехода затвор-исток, тем самым расширяя обедненный слой этого перехода (см. верхний рисунок), вторгаясь в проводящий канал и ограничение площади его поперечного сечения. Слой обеднения назван так потому, что он обеднен мобильными несущими и поэтому для практических целей является электрически непроводящим. ^[6]

Когда истощенный слой охватывает ширину канала проводимости, защемление достигается и проводимость сток-исток прекращается. Отключение происходит при определенном обратном смещении ( V _GS ) перехода затвор-исток. Напряжение отсечки (V _p ) (также известное как пороговое напряжение ^[7]^[8] или напряжение отключения ^[9]^[10]^[11]) значительно различается даже среди устройств одного типа. Например, V _{GS(выкл.)} для устройства Temic J202 варьируется от –0,8 В до –4 В. ^[12] Типичные значения варьируются от –0,3 В до –10 В. (Как ни странно, термин « напряжение отсечки» также используется для обозначения значения V _DS , которое разделяет линейную область и область насыщения. ^[10]^[11])

выключения n -канального устройства требуется отрицательное напряжение затвор-исток ( VGS _Для ). И наоборот, для выключения p -канального устройства требуется положительное значение V _GS .

При нормальной работе электрическое поле, создаваемое затвором, в некоторой степени блокирует проводимость исток-сток.

Некоторые устройства JFET симметричны относительно истока и стока.

Схематические символы

Затвор JFET иногда рисуется в середине канала (а не на электроде стока или истока, как в этих примерах). Эта симметрия предполагает, что «сток» и «исток» взаимозаменяемы, поэтому этот символ следует использовать только для тех JFET, где они действительно взаимозаменяемы.

Символ может быть нарисован внутри круга (представляющего оболочку дискретного устройства), если корпус важен для функционирования схемы, например, когда компоненты с двойным согласованием находятся в одном корпусе. ^[13]

В каждом случае стрелка показывает полярность P–N-перехода, образующегося между каналом и затвором. Как и в случае с обычным диодом , стрелка указывает от P к N, направлению обычного тока при прямом смещении. Английская мнемоника гласит, что стрелка N-канального устройства «указывает на n ».

Сравнение с другими транзисторами

затвор-канал При комнатной температуре ток затвора JFET (обратная утечка перехода ) сравним с током MOSFET (который имеет изолирующий оксид между затвором и каналом), но намного меньше, чем ток базы биполярного переходного транзистора. . JFET имеет более высокий коэффициент усиления ( крутизну ), чем MOSFET, а также меньший фликкер-шум и поэтому используется в некоторых малошумящих операционных с высоким входным сопротивлением усилителях . Кроме того, JFET менее подвержен повреждениям из-за накопления статического заряда. ^[14]

Математическая модель

Линейная омическая область

Ток в N-JFET из-за небольшого напряжения ( _VDS то есть в линейном или омическом ^[15] или область триода ^[7]) определяется, если рассматривать канал как прямоугольный стержень из материала с электропроводностью $qN_{d}\mu _{n}$ : ^[16]

I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}},

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 С,

μ _n = подвижность электронов ,

N _d = концентрация легирования (донора) n-типа,

V _P = напряжение отсечки.

Тогда ток стока в линейной области можно аппроксимировать как

I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}}={\frac {aW}{L}}qN_{d}\mu _{n}\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right)V_{\text{DS}}.

С точки зрения $I_{\text{DSS}}$ , ток стока можно выразить как ^{[ нужна ссылка ]}

I_{\text{D}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{V_{\text{P}}^{2}}}\left(V_{\text{GS}}-V_{\text{P}}-{\frac {V_{\text{DS}}}{2}}\right)V_{\text{DS}}.

Область постоянного тока

Ток стока в режиме насыщения или в активном режиме ^[17]^[7] или область отсечения ^[18] часто аппроксимируется с точки зрения смещения затвора как ^[16]

I_{\text{DS}}=I_{\text{DSS}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right)^{2},

где I _DSS может протекать через полевой транзистор от стока к истоку при любом (допустимом) напряжении сток-исток (см., например, ВАХ — ток насыщения при нулевом напряжении затвор-исток, т.е. максимальный ток , который диаграмму выше).

В области насыщения ток стока JFET наиболее существенно зависит от напряжения затвор-исток и практически не зависит от напряжения сток-исток.

Если легирование канала однородно, так что толщина обедненной области будет расти пропорционально квадратному корню из абсолютного значения напряжения затвор-исток, то толщину канала b можно выразить через толщину канала с нулевым смещением a. как ^[19]^{[ не удалось пройти проверку ]}

b=a\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right),

где

V _P – напряжение отсечки – напряжение затвор-исток, при котором толщина канала обращается в ноль,

a — толщина канала при нулевом напряжении затвор-исток.

крутизна

Крутизна переходного полевого транзистора определяется выражением

g_{\text{m}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{|V_{\text{P}}|}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right),

где $V_{\text{P}}$ – напряжение защемления, а I _DSS – максимальный ток стока. Это также называется $g_{\text{fs}}$ или $y_{\text{fs}}$ (для трансадмиттанта ). ^[20]

См. также

Ссылки

^ Холл, Джон. «Дискретный JFET» (PDF) . www.linearsystems.com . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
^ «Переходный полевой транзистор» . Учебники по электронике . Архивировано из оригинала 31 января 2022 г. Проверено 19 июня 2022 г.
^ Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников . Издательство Спрингер. ISBN 978-3-642-13884-3 .
^ Jump up to: ^а ^б Полевые устройства перехода , Полупроводниковые устройства для формирования напряжения , 1982.
^ Jump up to: ^а ^б Флаэрти, Ник (18 октября 2018 г.), «SiC JFET третьего поколения добавляет опции на 1200 В и 650 В» , EeNews Power Management .
^ Обсуждение структуры и работы JFET см., например. Д. Чаттопадхай (2006). «§13.2 Переходный полевой транзистор (JFET)» . Электроника (основы и приложения) . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 269 и далее . ISBN 978-8122417807 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Переходный полевой транзистор (JFET)» (PDF) . ETEE3212 Конспект лекций . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. значение v _GS ... при котором канал полностью истощен... называется пороговым напряжением или напряжением отсечки и возникает при v _GS = V _GS(OFF) . ... Эта линейная область работы называется омической (или иногда триодной) ... За пределами перегиба омической области кривые становятся практически плоскими в активной (или насыщенной ) области работы.
^ Седра, Адель С.; Смит, Кеннет К. «5.11 ПЕРЕХОДНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР (JFET)» (PDF) . Микроэлектронные схемы . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. При этом значении vGS _JFET пороговое напряжение называется напряжением отсечки и обозначается VP _{канал полностью обеднен... Для} .
^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Кембридж [Англия]: Издательство Кембриджского университета. п. 120. ИСБН 0-521-37095-7 . OCLC 19125711 . Для JFET напряжение затвор-исток, при котором ток стока приближается к нулю, называется «напряжением отсечки затвор-исток», V _GS(OFF) или «напряжением отсечки», V _P ... Для МОП-транзисторов в режиме улучшения аналогичная величина - «пороговое напряжение»
^ Jump up to: ^а ^б Мехта, В.К.; Мехта, Рохит (2008). «19 полевых транзисторов» (PDF) . Принципы электроники (11-е изд.). С. Чанд. стр. 513–514. ISBN 978-8121924504 . OCLC 741256429 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Снижение напряжения ( V _P ). Это минимальное напряжение сток-исток, при котором ток стока практически становится постоянным. ... Напряжение отсечки затвор-исток V _{GS (выкл.)} . Это напряжение затвор-исток, при котором канал полностью отключается и ток стока становится равным нулю.
^ Jump up to: ^а ^б У.А. Бакши; Атул П. Годзе (2008). Электроника . Технические публикации. п. 10. ISBN 978-81-8431-503-5 . Не путайте отрезание с отщипыванием. Напряжение отсечки V _P — это значение V _DS, при котором ток стока достигает постоянного значения для заданного значения V _GS . ... Напряжение отсечки V _{GS(выкл.)} — это значение V _GS, при котором ток стока равен 0.
^ «Технический паспорт J201» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 22 января 2021 г.
^ «Конверт или приложение А4.11». ANSI Y32.2-1975 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Символ конверта или корпуса может быть опущен в символе, ссылающемся на этот параграф, во избежание путаницы.
^ Копп, Эмили (16 января 2019 г.). «В чем разница между MOSFET и JFET?» . Советы по силовой электронике . Архивировано из оригинала 17 мая 2021 г. Проверено 16 июня 2022 г.
^ «Что такое омическая область полевого транзистора» . www.learningaboutelectronics.com . Проверено 13 декабря 2020 г. омическая область ... также называемая линейной областью
^ Jump up to: ^а ^б Бальбир Кумар и Шаил Б. Джайн (2013). Электронные устройства и схемы . PHI Learning Pvt. ООО, стр. 342–345. ISBN 9788120348448 .
^ «Переходный полевой транзистор» . Учебники по электронике . Насыщенность или активная область
^ Шольберг, Кейт (23 марта 2017 г.). «Что означает «область отсечения»?» . «Область отсечки» (или «область насыщения») относится к работе полевого транзистора с $V_{ds}$ более нескольких вольт.
^ Сторр, Уэйн (03 сентября 2013 г.). «Переходный полевой транзистор или Учебное пособие по JFET» . Базовые уроки электроники . Проверено 07 октября 2022 г.
^ Кирт Блаттенбергер RF Cafe. «JFETS: как они работают, как их использовать, радиоэлектроника, май 1969 г.» . Проверено 4 января 2021 г. y _fs - прямая транспроводимость с общим истоком и малым сигналом (иногда называемая g _{fs -} крутизной)

Внешние ссылки

СМИ, связанные с JFET, на Викискладе?
Лаборатория физики 111 — Схемы JFET I
Интерактивное объяснение n-канального JFET

[1] Холл, Джон. «Дискретный JFET» (PDF) . www.linearsystems.com . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

[2] «Переходный полевой транзистор» . Учебники по электронике . Архивировано из оригинала 31 января 2022 г. Проверено 19 июня 2022 г.

[3] Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников . Издательство Спрингер. ISBN 978-3-642-13884-3 .

[sit-4] Jump up to: ^а ^б Полевые устройства перехода , Полупроводниковые устройства для формирования напряжения , 1982.

[Flaherty2018-5] Jump up to: ^а ^б Флаэрти, Ник (18 октября 2018 г.), «SiC JFET третьего поколения добавляет опции на 1200 В и 650 В» , EeNews Power Management .

[JFET-6] Обсуждение структуры и работы JFET см., например. Д. Чаттопадхай (2006). «§13.2 Переходный полевой транзистор (JFET)» . Электроника (основы и приложения) . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 269 и далее . ISBN 978-8122417807 .

[:2-7] Jump up to: ^а ^б ^с «Переходный полевой транзистор (JFET)» (PDF) . ETEE3212 Конспект лекций . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. значение v _GS ... при котором канал полностью истощен... называется пороговым напряжением или напряжением отсечки и возникает при v _GS = V _GS(OFF) . ... Эта линейная область работы называется омической (или иногда триодной) ... За пределами перегиба омической области кривые становятся практически плоскими в активной (или насыщенной ) области работы.

[8] Седра, Адель С.; Смит, Кеннет К. «5.11 ПЕРЕХОДНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР (JFET)» (PDF) . Микроэлектронные схемы . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. При этом значении vGS _JFET пороговое напряжение называется напряжением отсечки и обозначается VP _{канал полностью обеднен... Для} .

[9] Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Кембридж [Англия]: Издательство Кембриджского университета. п. 120. ИСБН 0-521-37095-7 . OCLC 19125711 . Для JFET напряжение затвор-исток, при котором ток стока приближается к нулю, называется «напряжением отсечки затвор-исток», V _GS(OFF) или «напряжением отсечки», V _P ... Для МОП-транзисторов в режиме улучшения аналогичная величина - «пороговое напряжение»

[:0-10] Jump up to: ^а ^б Мехта, В.К.; Мехта, Рохит (2008). «19 полевых транзисторов» (PDF) . Принципы электроники (11-е изд.). С. Чанд. стр. 513–514. ISBN 978-8121924504 . OCLC 741256429 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Снижение напряжения ( V _P ). Это минимальное напряжение сток-исток, при котором ток стока практически становится постоянным. ... Напряжение отсечки затвор-исток V _{GS (выкл.)} . Это напряжение затвор-исток, при котором канал полностью отключается и ток стока становится равным нулю.

[:1-11] Jump up to: ^а ^б У.А. Бакши; Атул П. Годзе (2008). Электроника . Технические публикации. п. 10. ISBN 978-81-8431-503-5 . Не путайте отрезание с отщипыванием. Напряжение отсечки V _P — это значение V _DS, при котором ток стока достигает постоянного значения для заданного значения V _GS . ... Напряжение отсечки V _{GS(выкл.)} — это значение V _GS, при котором ток стока равен 0.

[12] «Технический паспорт J201» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 22 января 2021 г.

[13] «Конверт или приложение А4.11». ANSI Y32.2-1975 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Символ конверта или корпуса может быть опущен в символе, ссылающемся на этот параграф, во избежание путаницы.

[14] Копп, Эмили (16 января 2019 г.). «В чем разница между MOSFET и JFET?» . Советы по силовой электронике . Архивировано из оригинала 17 мая 2021 г. Проверено 16 июня 2022 г.

[15] «Что такое омическая область полевого транзистора» . www.learningaboutelectronics.com . Проверено 13 декабря 2020 г. омическая область ... также называемая линейной областью

[kumar-16] Jump up to: ^а ^б Бальбир Кумар и Шаил Б. Джайн (2013). Электронные устройства и схемы . PHI Learning Pvt. ООО, стр. 342–345. ISBN 9788120348448 .

[17] «Переходный полевой транзистор» . Учебники по электронике . Насыщенность или активная область

[18] Шольберг, Кейт (23 марта 2017 г.). «Что означает «область отсечения»?» . «Область отсечки» (или «область насыщения») относится к работе полевого транзистора с $V_{ds}$ более нескольких вольт.

[19] Сторр, Уэйн (03 сентября 2013 г.). «Переходный полевой транзистор или Учебное пособие по JFET» . Базовые уроки электроники . Проверено 07 октября 2022 г.

[20] Кирт Блаттенбергер RF Cafe. «JFETS: как они работают, как их использовать, радиоэлектроника, май 1969 г.» . Проверено 4 января 2021 г. y _fs - прямая транспроводимость с общим истоком и малым сигналом (иногда называемая g _{fs -} крутизной)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

v т и Транзисторные усилители
	Bipolar junction transistor:	Common emitter Common collector Common base
	Field-effect transistor:	Common source Common drain Common gate
	Multiple transistors:	Darlington transistor Complementary feedback pair Cascode Long-tailed pair