JFET

Тип полевого транзистора

Полевой транзистор с переходом ( JFET ) является одним из простейших типов полевых транзисторов . ^[1] JFET представляют собой трехконтактные полупроводниковые приборы, которые могут использоваться в качестве электронно- управляемых переключателей или резисторов , а также для создания усилителей .

В отличие от биполярных транзисторов , JFET управляются исключительно напряжением , в том смысле, что им не нужен ток смещения . Электрический заряд течет через полупроводниковый канал между выводами истока и стока . При приложении обратного напряжения смещения к выводу затвора канал зажимается , так что электрический ток затрудняется или полностью отключается. JFET обычно проводит, когда между его выводами затвора и истока есть нулевое напряжение. Если между его выводами затвора и истока приложена разность потенциалов правильной полярности , JFET будет более резистивным к току, что означает, что в канале между выводами истока и стока будет протекать меньший ток.

JFET иногда называют приборами с обедненным режимом , поскольку они основаны на принципе обедненной области , которая лишена основных носителей заряда . Обедненная область должна быть закрыта, чтобы ток мог течь.

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

История

Последовательность устройств типа FET была запатентована Юлиусом Лилиенфельдом в 1920-х и 1930-х годах. Однако материаловедение и технология производства потребовали десятилетий прогресса, прежде чем FET могли быть фактически изготовлены.

JFET был впервые запатентован Генрихом Велькером в 1945 году. ^[3] В 1940-х годах исследователи Джон Бардин , Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Шокли пытались построить полевой транзистор, но потерпели неудачу в своих многократных попытках. Они открыли точечный транзистор в ходе попыток диагностировать причины своих неудач. После теоретического рассмотрения Шокли JFET в 1952 году, работающий практический JFET был создан в 1953 году Джорджем К. Дейси и Яном М. Россом . ^[4] Японские инженеры Дзюнъити Нисидзава и И. Ватанабе подали заявку на патент на похожее устройство в 1950 году, названное статическим индукционным транзистором (SIT). SIT является типом JFET с коротким каналом. ^[4]

Высокоскоростное высоковольтное переключение с JFET стало технически осуществимым после коммерческого внедрения широкозонных устройств из карбида кремния (SiC) в 2008 году. Из-за начальных трудностей в производстве — в частности, несоответствий и низкого выхода — SiC JFET сначала оставались нишевым продуктом с соответственно высокими затратами. К 2018 году эти производственные проблемы были в основном решены. К тому времени SiC JFET также широко использовались в сочетании с обычными низковольтными кремниевыми MOSFET. ^[5] В этой комбинации устройства SiC JFET + Si MOSFET обладают преимуществами широкозонных устройств, а также простым управлением затвором MOSFET. ^[5]

Структура

JFET представляет собой длинный канал полупроводникового материала, легированного для содержания большого количества 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). Pn-переход формируется на одной или обеих сторонах канала или окружает его с использованием области с легированием, противоположным легированию канала, и смещен с использованием омического контакта затвора (G).

Функции

Вольт-амперные характеристики и выходной график n-канального JFET

Работа JFET может быть сравнена с работой садового шланга . Поток воды через шланг можно контролировать, сжимая его для уменьшения поперечного сечения , а поток электрического заряда через JFET контролируется путем сужения канала тока. Ток также зависит от электрического поля между источником и стоком (аналогично разнице давления на обоих концах шланга). Эта зависимость тока не поддерживается характеристиками, показанными на диаграмме 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 транзисторами с переходом и с тетродами и пентодами на термоэлектронной лампе (лампе).

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 ограничивая его площадь поперечного сечения. Обедненный слой так называется, потому что он обеднен подвижными носителями и поэтому является электрически непроводящим для практических целей. ^[6]

Когда обедненный слой охватывает ширину канала проводимости, достигается отсечка и проводимость сток-исток прекращается. Отсечка происходит при определенном обратном смещении ( V _GS ) перехода затвор-исток. Напряжение отсечки (V _p ) (также известное как пороговое напряжение ^{[7] [8]} или напряжение отсечки ^{[9] [10] [11]} ) значительно различается даже среди устройств одного типа. Например, V _GS(off) 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 линейные области и области насыщения. ^{[10] [11]} )

Для выключения n -канального устройства требуется отрицательное напряжение затвор-исток ( V _GS ). Наоборот, для выключения p -канального устройства требуется положительное напряжение V _GS .

В нормальном режиме работы электрическое поле, создаваемое затвором, в некоторой степени блокирует проводимость исток-сток.

Некоторые устройства JFET симметричны относительно истока и стока.

Условные обозначения

Обозначение схемы n-канального JFET

Условное обозначение p-канального JFET

Затвор JFET иногда рисуется в середине канала (а не на стоке или истоке, 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, в случае двух согласованных компонентов в одном корпусе. ^[13]

В каждом случае наконечник 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. Английская мнемоника гласит, что стрелка N-канального устройства «указывает на n ».

Сравнение с другими транзисторами

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

Математическая модель

Линейная омическая область

Ток в N-JFET из-за малого напряжения V _DS (то есть в линейной или омической ^[15] или триодной области ^[7] ) определяется путем рассмотрения канала как прямоугольного стержня из материала с электропроводностью : ^[16] ${\displaystyle qN_{d}\mu _{n}}$

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

где

I _D = ток сток-исток,

b = толщина канала для заданного напряжения затвора,

W = ширина канала,

L = длина канала,

q ⁼ заряд электрона = 1,6 × 10−19  Кл,

μ _n = подвижность электронов ,

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

V _P = напряжение отсечки.

Тогда ток стока в линейной области можно аппроксимировать как

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

В терминах ток стока можно выразить как ^{[ необходима ссылка ]} ${\displaystyle I_{\text{DSS}}}$

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

Область постоянного тока

Ток стока в области насыщения или активной ^{[17] [7]} или отсечки ^[18] часто аппроксимируется в терминах смещения затвора как ^[16]

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

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

В области насыщения ток стока JFET наиболее сильно 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 толщина канала b может быть выражена через толщину канала при нулевом смещении a следующим образом ^{[19] [ проверка не удалась ]}

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

где

V _P — напряжение отсечки — напряжение затвор-исток, при котором толщина канала становится равной нулю,

а — толщина канала при нулевом напряжении затвор-исток.

Транскондуктивность

Трансдуктивность для полевого транзистора определяется по формуле

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

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

Смотрите также

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

Ссылки

1. Холл, Джон. "Дискретный JFET" (PDF) . linearsystems.com . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
2. "Junction Field Effect Transistor". Учебники по электронике . Архивировано из оригинала 2022-01-31 . Получено 2022-06-19 .
3. Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников . Спрингер-Верлаг. ISBN 978-3-642-13884-3.
4. Junction Field-Effect Devices, Полупроводниковые приборы для регулирования мощности , 1982.
5. Flaherty, Nick (18 октября 2018 г.), «Третье поколение SiC JFET добавляет опции 1200 В и 650 В», EeNews Power Management.
6. Для обсуждения структуры и работы JFET см., например, D. Chattopadhyay (2006). "§13.2 Junction field-effect transistor (JFET)". Электроника (основы и приложения) . New Age International. стр. 269 и далее . ISBN 978-8122417807.
7. "Junction Field Effect Transistor (JFET)" (PDF) . ETEE3212 Lecture Notes . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09. значение v _GS ... при котором канал полностью истощается ... называется пороговым , или отсечкой , напряжением и происходит при v _GS = V _GS(OFF) . ... Эта линейная область работы называется омической (или иногда триодной) ... За пределами колена омической области кривые становятся по существу плоскими в активной (или насыщенной ) области работы.
8. Седра, Адель С.; Смит, Кеннет К. "5.11 ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ПЕРЕХОДОМ (JFET)" (PDF) . Микроэлектронные схемы . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09. При этом значении v _GS канал полностью истощается ... Для JFET пороговое напряжение называется напряжением отсечки и обозначается V _P .
9. Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Кембридж [Англия]: Cambridge University Press. стр. 120. ISBN 0-521-37095-7OCLC  19125711. Для JFET напряжение затвор-исток, при котором сток-ток приближается к нулю, называется «напряжением отсечки затвор-исток», V _GS(OFF) , или «напряжением отсечки», V _P ... Для MOSFET в режиме обогащения аналогичная величина называется «пороговым напряжением».
10. Mehta, VK; Mehta, Rohit (2008). "19 полевых транзисторов" (PDF) . Принципы электроники (11-е изд.). S. Chand. стр. 513–514. ISBN 978-8121924504. OCLC  741256429. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09. Напряжение отсечки ( V _P ). Это минимальное напряжение сток-исток, при котором ток стока по существу становится постоянным. ... Напряжение отсечки затвор-исток V _{GS (выкл.)} . Это напряжение затвор-исток, при котором канал полностью отключается, а ток стока становится равным нулю.
11. UA Bakshi; Atul P. Godse (2008). Электроника. Технические публикации. стр. 10. ISBN 978-81-8431-503-5. Не путайте отсечку с отсечкой. Напряжение отсечки 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.
12. "J201 data sheet" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 2021-01-22 .
13. "A4.11 Конверт или вложение". ANSI Y32.2-1975 (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09. Символ конверта или вложения может быть опущен из символа, ссылающегося на этот параграф, если это не приведет к путанице
14. Копп, Эмили (2019-01-16). "В чем разница между MOSFET и JFET?". Power Electronic Tips . Архивировано из оригинала 2021-05-17 . Получено 2022-06-16 .
15. "Что такое омическая область полевого транзистора". www.learningaboutelectronics.com . Получено 13.12.2020 . омическая область ... также называется линейной областью
16. Balbir Kumar и Shail B. Jain (2013). Электронные приборы и схемы. PHI Learning Pvt. Ltd. стр. 342–345. ISBN 9788120348448.
17. "Junction Field Effect Transistor". Учебники по электронике . Насыщение или активная область
18. Шольберг, Кейт (2017-03-23). ​​«Что означает «область отсечки»?». «Область отсечки» (или «область насыщения») относится к работе полевого транзистора при напряжении более нескольких вольт. ${\displaystyle V_{ds}}$
19. Storr, Wayne (2013-09-03). "Junction Field Effect Transistor или JFET Tutorial". Basic Electronics Tutorials . Получено 2022-10-07 .
20. Кирт Блаттенбергер RF Cafe. "JFETS: Как они работают, как их использовать, май 1969 Радиоэлектроника" . Получено 04.01.2021 . y _fs – Малосигнальный, с общим источником, прямой трансмиттанс (иногда называемый g _fs -транскондуктивностью)

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с JFET на Wikimedia Commons
• Лабораторная работа по физике 111 — Схемы JFET I
• Интерактивное объяснение n-канального JFET