טרנזיסטורי אפקט שדה צומת
טרנזיסטורי אפקט שדה צומת הם טרנזיסטורים מבוססי מוליכים למחצה מבוקרי מתח. מדובר בטרנזיסטורים חד-כיווניים בעלי שלושה טרמינלים; ניקוז, מקור ושער. ל-JFET אין צמתים PN, אבל הם מורכבים מתעלות של חומרים מוליכים למחצה.
בנייה וסיווגים
ל-JFET יש ערוץ גדול לזרימה של נושאי מטען רוב. ערוץ זה ידוע בתור מצע. המצע יכול להיות מסוג P או מסוג N. שני מגעים חיצוניים המכונים מגעים אוהםים ממוקמים על פני שני קצוות הערוץ. JFETs מסווגים על סמך החומר המוליך למחצה של המצע בבנייתם.
טרנזיסטורי JFET N-Channel
התעלה עשויה מחומר טומאה מסוג N, בעוד שערים מורכבים מחומר טומאה מסוג P. חומר מסוג N פירושו שהזיהומים החומשים עברו סימום, ורוב נושאי המטען הם אלקטרונים חופשיים בתעלה. המבנה הבסיסי וההצגה הסמלית של JFETs N-Channel מוצגים להלן:
P-Channel JFET טרנזיסטורים
התעלה מורכבת מחומר טומאה מסוג P בעוד שערים מורכבים מחומר טומאה מסוג N. P-Channel פירושו שזיהומים משולשים סומו בתעלה ורוב נושאי המטען הם חורים. המבנה הבסיסי וההצגה הסמלית של P-Channel JFET מוצגים להלן:
עבודה של JFETs
JFETs מתוארים לעתים קרובות עם אנלוגיה של צינור צינור מים. זרימת המים דרך צינורות מקבילה לזרימת אלקטרונים דרך ערוצי JFET. סחיטת צינור המים מחליטה את כמות זרימת המים. באופן דומה, במקרה של JFETs, הפעלת מתחים על פני מסופי שער מחליטה על צמצום או הרחבה של הערוץ לתנועת מטענים ממקור לניקוז.
כאשר מתח הטיה הפוכה על פני השער והמקור מופעל, הערוץ מצטמצם בעוד שכבת הדלדול עולה. מצב פעולה זה נקרא מצב צביטה. סוג זה של התנהגות ערוץ מיוצג להלן:
עקומת מאפייני JFET
JFETs הם התקני מצב דלדול, מה שאומר שהם פועלים על הרחבה או צמצום של שכבות דלדול. כדי לנתח את מצבי הפעולה המלאים, הסדר ההטיה הבא מיושם על פני JFET N-Channel.
שני מתחי הטיה שונים מופעלים במסופי JFET. VDS מוחל בין ניקוז למקור בעוד VGS מוחל בין שער למקור כפי שמוצג באיור לעיל.
JFET יפעל בארבעה מצבי פעולה שונים, כפי שנדון להלן.
1: מצב אוהמי
מצב אוהמי הוא מצב רגיל ללא מתחי הטיה המופעלים על המסופים שלו. לכן, VGS=0 במצב אוהם. שכבת הדלדול תהיה דקה מאוד ו-JFET פועל כמו אלמנט אוהמי כגון נגד.
2: מצב צביטה
במצב ניתוק, מתח הטיה מספק על פני השער והמקור מופעל. מתח ההטיה ההפוכה המופעל מותח את אזור הדלדול לרמה מקסימלית ולכן הערוץ מתנהג כמו מתג פתוח המתנגד לזרימת הזרם.
3: מצב רוויה
מתח הטיית השער והמקור שולט בזרימת הזרם על פני הערוץ של JFET. הזרם משתנה בהתאם לשינוי במתח הטיה. למתח הטיית הניקוז והמקור יש השפעה זניחה במצב זה.
4: מצב התמוטטות
מתח הטיית הניקוז והמקור עולה לרמה שמפרקת את שכבת הדלדול בערוץ ה-JFET. זה מוביל לזרימת זרם מקסימלית על פני הערוץ.
ביטויים מתמטיים עבור פרמטרים של JFETs
במצבי רוויה, ה-JFETs נכנסים למצבי מוליכים שבהם המתח משתנה בזרם. לכן, ניתן להעריך את זרם הניקוז. הביטוי להערכת זרם הניקוז ניתן על ידי:
הערוץ מתרחב או מצטמצם עם הפעלת מתחי שער. ההתנגדות של התעלה ביחס להפעלת מתח מקור הניקוז מתבטאת כך:
ניתן לחשב RDS גם באמצעות רווח טרנסמוליכות, gm:
התצורות של JFET
ניתן לחבר JFET במגוון דרכים עם מתחי הכניסה. תצורות אלו ידועות בתור תצורות מקור משותף, שער משותף ותצורות ניקוז נפוצות.
תצורת מקור משותף
בתצורת מקור נפוצה, המקור של JFET מוארק והכניסה מחוברת למסוף השער בזמן שהפלט נלקח מהניקוז. תצורה זו מציעה פונקציות עכבת כניסה גבוהה והגברת מתח. תצורת מצב מגבר זו היא הנפוצה ביותר מבין כל תצורות ה-JFET. הפלט המתקבל הוא 180 מעלות מחוץ לפאזה עם קלט.
תצורת שער נפוצה
בתצורת שער נפוצה, השער מוארק בזמן שהקלט מחובר למקור והפלט נלקח מהניקוז. מכיוון שהשער מחובר לאדמה, לתצורה יש עכבת כניסה נמוכה אך עכבה גבוהה יותר במוצא. הפלט המתקבל הוא בשלב עם קלט:
תצורת ניקוז נפוצה
בניקוז משותף, הכניסה מחוברת לשער בעוד שהיציאה מחוברת ממסוף המקור. תצורה זו מציעה גם עכבת כניסה נמוכה ועכבת מוצא גבוהה יותר בדיוק כמו תצורת שער נפוצה, אבל רווח המתח הוא בערך אחד כאן.
תצורה זו תואמת גם למקור משותף שבו קלט מחובר לשער, אך לתצורת מקור משותף יש רווח פחות מאחד.
יישום - תצורת מגבר JFETs
ניתן לגרום ל-JFET לעבוד כמגברי Class-A כאשר מסוף השער מחובר לרשת מחלק מתח. מתח חיצוני מופעל על מסוף המקור, שמוגדר לרוב להיות רבע מ-VDD במעגל שלמטה.
לכן ניתן לבטא את מתח המקור כך:
כמו כן, ניתן לחשב את מתח המקור באמצעות הביטוי הבא:
ניתן לחשב את זרם הניקוז מהתצורה שלמעלה כמפורט להלן:
ניתן לקבל את מתח השער כפונקציה של ערכי הנגדים R1 ו-R2 כמפורט להלן.
דוגמה 1: חישוב V DD
אם V GS(כבוי) =-8V, I DSS =24mA עבור JFET בתצורה למטה, חשב את V DD כפי שמוצג באיור כאשר R ד =400.
מאז
האמור לעיל יהיה הערך המינימלי של VDS עבור JFET לפעול באזור זרם קבוע, לכן:
גַם,
על ידי יישום KVL במעגל הניקוז:
דוגמה 2: קבע את הערך של זרם הניקוז
קבע את הערך של זרם הניקוז כאשר VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA עבור תצורת JFET מתחת.
הביטוי לזרם ניקוז הוא:
סיכום
טרנזיסטורי אפקט שדה צומת הם שלושה התקני מוליכים למחצה מסוף הפועלים עם התנהגות של אזורי הדלדול במצבי פעולה שונים. אין להם צמתים PN, אבל הם עשויים מתעלות של חומרים מוליכים למחצה.