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 . 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 нужен 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. (иногда порядка 10 ¹⁰  Ом ), небольшой ток потребляется из цепей, используемых в качестве входа на затвор.

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. 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 . 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.

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. В этой комбинации устройства SiC JFET + Si MOSFET обладают преимуществами устройств с широкой запрещенной зоной, а также простоты управления затвором MOSFET.

Структура

JFET представляет собой длинный канал из 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

ВАХ и выходной график n-канального JFET

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.

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 или напряжение отключения ) значительно различается даже среди устройств одного типа. Например, V _{GS(выкл.)} для устройства Temic J202 варьируется от –0,8 В до –4 В. 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. )

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 обозначения

Обозначение схемы n-канального JFET

Обозначение схемы p-канального JFET

Затвор JFET иногда рисуется в середине канала (а не на электроде стока или истока, как в этих примерах). Эта симметрия предполагает, что «стоки» 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, для двух согласованных компонентов в одном корпусе.

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.

Математическая модель

Линейная омическая область

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

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

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

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

Область постоянного тока

Ток стока в режиме насыщения или в активном режиме или область отсечения часто аппроксимируется с точки зрения смещения затвора как

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

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

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

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 ).

См. также

• Диод постоянного тока
• Фетрон
• МОП-транзистор
• МЕСФЕТ

Внешние ссылки

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