ترانزیستور پیوندی اثر میدان

ترانزیستور پیوندی اثر میدان یا‌JFET یک دستگاه نیمه هادی تک‌قطبی سه‌ترمینال با ولتاژ است که در‌تنظیمات کانال-N و کانال-P موجود‌است.

در آموزش‌های ترانزیستور دو‌قطبی‌،‌ما دیدیم که جریان جمع‌کننده خروجی ترانزیستور متناسب با جریان‌ورودی است که به ترمینال پایه دستگاه می‌رود.

بنابراین ترانزیستور دو‌قطبی را به‌عنوان یک‌جریان کوچکتر به یک‌دستگاه‌”CURRENT”‌(مدل بتا) تبدیل می‌کند می‌تواند برای تغییر جریان بار بیشتر استفاده شود.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان، یا به سادگی FET ، از ولتاژ اعمال شده به ترمینال ورودی آنها ، Gate برای کنترل جریان عبوری از آنها و در نتیجه متناسب بودن جریان خروجی با ولتاژ ورودی استفاده می کند.

از آنجا که عملکرد آنها به یک میدان الکتریکی (از این رو اثر میدان نام) تولید شده توسط ولتاژ ورودی دروازه متکی است ، این امر باعث می شود ترانزیستور اثر جلوه ای به یک دستگاه با ولتاژ تبدیل شود.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک‌دستگاه نیمه هادی تک‌قطبی سه‌پایه است که ویژگی‌های بسیار مشابهی با نمونه‌های مشابه ترانزیستور دو‌قطبی دارد.

به عنوان مثال:

• راندمان بالا
• عملکرد فوری
• قوی و ارزان

می‌تواند در اکثر برنامه های مدار الکترونیکی برای جایگزینی همتایان ترانزیستور اتصال دو‌قطبی معادل آنها (BJT) استفاده شود.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان می توانند بسیار کوچکتر از ترانزیستور BJT معادل باشند.

و در‌کنار مصرفِ کمِ انرژی و اتلاف‌توان آنها را برای استفاده در‌مدارهای مجتمع مانند دامنه CMOS تراشه‌های منطقی‌دیجیتال ایده‌آل می‌کند.

ما از آموزش های قبلی به یاد می آوریم که دو نوع اساسی برای ساخت ترانزیستور دو قطبی وجود دارد.

• NPN
• PNP

که اساساً چیدمان فیزیکی مواد نیمه هادی نوع P و نوع N را که از آنها ساخته شده‌است‌، توصیف می‌کند.

مورد بالا در رابطه با FET نیز صدق می کند.

زیرا همچنین دو طبقه بندی اصلی ترانزیستور پیوندی اثر میدان وجود دارد که N-channel FET و P-channel FET نامیده می شوند.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک‌دستگاه سه‌ترمینال است که بدون اتصال PN در مسیر‌اصلی انتقال‌جریان بین ترمینال‌های تخلیه و منبع ساخته‌شده‌است.

عملکرد این ترمینال ها به ترتیب با کالکتور و امیتر ترانزیستور دو قطبی مطابقت دارد.

مسیر‌فعلی بین این دو‌ترمینال‌”کانال”‌نامیده می‌شود که ممکن است از یک ماده نیمه هادی نوع P یا نوع N ساخته شود.

کنترل گردش جریان در این کانال با تغییر ولتاژ وارد شده به گیت حاصل می شود.

همانطور‌که از نام آنها پیداست‌،‌ترانزیستورهای دو‌قطبی دستگاه‌های “دو قطبی” هستند زیرا با هر دو‌نوع حامل بار‌،‌سوراخ‌ها و الکترون‌ها کار می‌کنند.

از طرف‌دیگر ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک‌دستگاه “تک قطبی” است که فقط به هدایت الکترون‌ها‌(کانال-N) یا سوراخ ها‌(کانال-P) بستگی دارد.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان  یک مزیت عمده نسبت به همتایان ترانزیستور دو قطبی استاندارد خود دارد .

از این نظر که امپدانس ورودی آنها (Rin) بسیار زیاد است (هزاران اهم)‌، در حالی که BJT نسبتاً پایین است.

این امپدانس ورودی بسیار بالا ، آنها را نسبت به سیگنال های ولتاژ ورودی بسیار حساس می کند .

اما قیمت این حساسیت بالا نیز به این معنی است که به راحتی توسط الکتریسیته ساکن آسیب می بینند.

دو نوع اصلی ترانزیستور اثر میدانی وجود دارد:

ترانزیستور اثر متقاطع اثر Junction Field یا JFET و ترانزیستور اثر انعطاف پذیر یا میدان انعطاف پذیر (IGFET) ، که بیشتر به عنوان ترانزیستور اثر افقی نیمه رسانای فلزی اکسید یا به اختصار MOSFET شناخته می شود.

ترانزیستور اثر میدان اتصال

قبلاً‌دیدیم که یک ترانزیستور اتصال دو‌قطبی با‌استفاده از دو اتصال PN در مسیر‌اصلی انتقال‌جریان بین پایانه‌های Emitter و Collector ساخته‌شده‌است.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان اتصال (JUGFET یا JFET) فاقد اتصالات PN است.

اما در عوض دارای یک قطعه باریک از ماده نیمه رسانای با مقاومت بالا است که یک “کانال” از سیلیکون نوع N یا P را ایجاد می کند تا حامل های اکثریت با دو عبور کنند اتصالات الکتریکی اهمی در هر دو انتها که به ترتیب Drain و Source نامیده می شوند.

دو پیکربندی اساسی از ترانزیستور پیوندی اثر میدان وجود دارد‌، (N-channel) JFET و (p-channel) JFET.

کانال JFET کانال-N دارای ناخالصی های دهنده است که به معنای آن است که جریان جریان از طریق کانال منفی است (از این رو اصطلاح کانال-N) به شکل الکترون است.

به همین ترتیب ، کانال JFET کانال P دارای ناخالصی های گیرنده است ، به این معنی که گردش جریان از طریق کانال به صورت سوراخ مثبت است (از این رو اصطلاح کانال P). NF کانال JFET رسانایی کانال بیشتری (مقاومت کم) نسبت به نوع کانال P معادل آن دارد ، زیرا الکترون ها از طریق یک هادی در مقایسه با سوراخ ها تحرک بیشتری دارند.

این باعث می شود N-channel JFET رسانای کارآمد تری در مقایسه با کانال های مشابه کانال P آنها باشد.

قبلاً گفتیم که در هر دو انتهای کانال دو اتصال الکتریکی اهمی وجود دارد که Drain و Source نامیده می‌شوند.

اما در داخل این کانال یک اتصال الکتریکی سوم وجود دارد که ترمینال Gate نامیده می شود و این همچنین می تواند یک ماده از نوع P یا N باشد که یک اتصال PN با کانال اصلی را تشکیل می دهد.

رابطه بین اتصالات ترانزیستور اثر میدان اتصال و ترانزیستور اتصال دو قطبی در زیر مقایسه می شود.

مقایسه ارتباطات بین JFET و BJT

Bipolar Transistor (BJT)	Field Effect Transistor (FET)
Emitter – (E)     >>     Source – (S)
Base – (B)     >>     Gate – (G)
Collector – (C)     >>     Drain – (D)

نمادها و ساختار اصلی هر دو تنظیمات JFET در زیر نشان داده شده است.

“کانال” نیمه هادی ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک مسیر مقاومتی است که از طریق آن ولتاژ VDS باعث جریان یافتن یک ID جریان می شود و به همین ترتیب ترانزیستور اثر میدان اتصال می تواند جریان را به همان اندازه در هر دو جهت هدایت کند.

از آنجا که کانال از نظر ماهیت مقاومتی دارد ، بنابراین هنگامی که از ترمینال تخلیه به ترمینال منبع می رویم ، با افزایش مثبت ولتاژ ، یک شیب ولتاژ در طول کانال ایجاد می شود.

نتیجه این است که اتصال PN دارای تعصب معکوس بالا در ترمینال تخلیه و بایاس معکوس پایین‌تر در‌ترمینال منبع است.

این بایاس باعث می شود که یک لایه تخلیه در کانال ایجاد شود و عرض آن با بایاس افزایش یابد.

مقدار جریان عبوری از کانال بین ترمینال های تخلیه و منبع توسط ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت کنترل می شود ، که یک تعصب معکوس است.

در یک JFET کانال N این ولتاژ گیت منفی است در حالی که برای JFET کانال-P ولتاژ گیت مثبت است.

تفاوت اصلی بین JFET و یک دستگاه BJT این است که وقتی اتصال JFET با جهت گیری معکوس باشد ، جریان Gate عملاً صفر است ، در حالیکه جریان پایه BJT همیشه مقداری بزرگتر از صفر است.

بایاس JFET چند کانال

نمودار مقطعی فوق یک کانال نیمه هادی نوع N را با یک منطقه از نوع P به نام Gate به کانال N نوع پخش شده و یک پیوند PN مغرضانه معکوس را تشکیل می دهد.

این اتصال است که هنگام تخلیه منطقه اطراف دروازه را تشکیل می دهد ولتاژ خارجی اعمال نمی شود بنابراین JFET به عنوان دستگاه های حالت تخلیه شناخته می شوند.

این منطقه تخلیه یک شیب بالقوه تولید می کند که دارای ضخامت مختلف در اطراف محل اتصال PN است و با کاهش عرض موثر آن و در نتیجه افزایش مقاومت کلی کانال ، گردش جریان را از طریق کانال محدود می کند.

سپس می توانیم ببینیم که بیشترین قسمت تخلیه شده در منطقه بین دروازه و تخلیه قرار دارد.

در حالی که کمترین منطقه بین دروازه و منبع است.‌سپس کانال JFET با ولتاژ بایاس صفر اعمال شده هدایت می‌شود.

(یعنی منطقه تخلیه تقریباً عرض صفر دارد).

بدون ولتاژ دروازه خارجی (VG = 0) ، و یک ولتاژ کوچک (VDS) بین تخلیه و منبع اعمال می شود ، حداکثر جریان اشباع (IDSS) از کانال تخلیه به منبع جریان می یابد که فقط توسط منطقه تخلیه کوچک محدود می شود دور اتصالات.

اگر اکنون ولتاژ منفی کوچکی (VGS) به دروازه اعمال شود ، اندازه منطقه تخلیه شروع به افزایش می کند تا سطح کلی موثر کانال را کاهش دهد و بنابراین جریان عبوری از آن را کاهش دهد ، نوعی اثر “فشار دادن” اتفاق می افتد .

بنابراین با استفاده از ولتاژ بایاس معکوس‌، عرض ناحیه تخلیه افزایش می‌یابد که به‌نوبه خود هدایت کانال را کاهش می‌دهد.

از آنجا که اتصال PN بایاس معکوس است ، جریان کمی به اتصال دروازه وارد می شود.

همانطور که ولتاژ دروازه (-VGS) منفی تر می شود ، عرض کانال کاهش می یابد تا جایی که دیگر هیچ جریانی بین تخلیه و منبع جریان پیدا نکند و گفته شود FET “قطع شده” است (شبیه به منطقه قطع برای یک BJT).

ولتاژی که کانال بسته می شود “ولتاژ قطع” (VP) نامیده می شود.

کانال JFET پیچ خورده است

در این منطقه ولتاژ Gate ، VGS جریان کانال را کنترل می‌کند و VDS تأثیر کمی دارد یا تأثیری ندارد.

نتیجه این است که FET بیشتر شبیه یک مقاومت ولتاژ کنترل شده است که دارای مقاومت صفر در هنگام VGS = 0 و حداکثر مقاومت “ON” (RDS) است که ولتاژ گیت بسیار منفی است.

در شرایط عملیاتی عادی ، گیت JFET نسبت به منبع همیشه دارای تعصب منفی است.

ضروری‌است که ولتاژ Gate هرگز مثبت نباشد زیرا اگر تمام جریان کانال به Gate و نه به Source منتقل شود.

نتیجه صدمه به JFET است. سپس برای بستن کانال:

• بدون ولتاژ ورودی (VGS) و VDS از صفر افزایش می یابد.
• عدم کنترل VDS و Gate از صفر منفی است.
• VDS و VGS متفاوت است.

ترانزیستور اثر متقاطع کانال P دقیقاً مشابه کانال N فوق عمل می کند ، با استثنائات زیر:

1) جریان کانال به دلیل سوراخ مثبت است

2) قطبیت ولتاژ بایاس باید معکوس شود.

مشخصات خروجی JFET چند کانال با گیت اتصال کوتاه به منبع به شرح زیر است:

منحنی های مشخصه خروجی V-I یک اتصال متناوب FET

ولتاژ VGS اعمال شده به گیت جریان عبوری بین پایانه های تخلیه و منبع را کنترل می کند.

VGS به ولتاژ اعمال‎شده بین دروازه و منبع در‌حالی که VDS به ولتاژ اعمال‌شده بین تخلیه و منبع اشاره دارد.

از آنجا که ترانزیستور پیوندی اثر میدان یک دستگاه کنترل شده ولتاژ است‌، “هیچ جریانی به درون دروازه جریان نمی‌یابد!”

سپس جریان‌منبع (IS) که از دستگاه خارج می‌شود برابر است با جریان تخلیه جریان‌یافته به آن و بنابراین‌(ID = IS).

منحنی ویژگی ها به عنوان مثال نشان داده شده در بالا.

چهار منطقه مختلف عملکرد را برای JFET نشان می دهد و اینها به شرح زیر است:

• منطقه Ohmic‌: ‌هنگامی‌که VGS = 0 باشد‌،‌لایه تخلیه کانال بسیار‌کوچک است و JFET مانند یک مقاومت کنترل‌شده توسط‌ولتاژ عمل می‌کند.
• منطقه قطع: این منطقه به ولتاژ دروازه نیز معروف است به عنوان منطقه قطع کننده ، VGS کافی است تا JFET به عنوان یک مدار باز عمل کند زیرا مقاومت کانال حداکثر است.
• اشباع یا منطقه فعال: JFET یک هادی خوب می شود و توسط ولتاژ Gate-Source (VGS) کنترل می شود در حالی که ولتاژ Drain-Source (VDS) تأثیر کمی دارد یا هیچ تأثیری ندارد.
• منطقه خرابی: ولتاژ بین تخلیه و منبع (VDS) به اندازه کافی زیاد است که باعث می شود کانال مقاومت JFET خراب شود و حداکثر جریان کنترل نشده را عبور دهد.

منحنی خصوصیات برای یک ترانزیستور اثر میدان اتصال کانال P همان موارد بالا است ، با این تفاوت که ID جریان تخلیه با افزایش ولتاژ Gate-Source مثبت ، VGS کاهش می یابد.

جریان تخلیه وقتی VGS = VP صفر است. برای عملکرد طبیعی ، VGS بایاس است که چیزی بین VP و 0 باشد.

سپس می‌توان جریان تخلیه ، ID را برای هر نقطه تعصب داده شده در اشباع یا منطقه فعال محاسبه کرد:

تخلیه جریان در منطقه فعال

توجه داشته باشید که مقدار جریان تخلیه بین صفر (خرج کردن) و IDSS (حداکثر جریان) خواهد بود.

با دانستن شناسه جریان تخلیه و ولتاژ Drain-Source ولتاژ ، مقاومت کانال (RDS) به این صورت است:

مقاومت کانال تخلیه-منبع

در اینجا:

gm “سود رسانایی”‌است زیرا JFET یک دستگاه کنترل‌شده ولتاژ است و نشان‌دهنده میزان تغییر‌جریان تخلیه با‌توجه به تغییر‌ولتاژ Gate-Source است.

حالت های FET

مانند ترانزیستور اتصال دو قطبی ، ترانزیستور پیوندی اثر میدان که یک دستگاه سه ترمینال است ، قادر به سه حالت عملکرد مجزا است و بنابراین می تواند در یک مدار در یکی از تنظیمات زیر متصل شود.

پیکربندی منبع مشترک (CS)

در پیکربندی منبع‌مشترک‌(شبیه به امیتر مشترک)‌ورودی به Gate اعمال می‌شود و خروجی آن همانطور‌که نشان داده‌شده از Drain گرفته می‌شود.

این متداول ترین حالت عملکرد FET به دلیل امپدانس ورودی بالا و تقویت ولتاژ خوب است و به همین ترتیب از تقویت کننده های منبع مشترک به طور گسترده ای استفاده می شود.

حالت منبع مشترک اتصال FET عموماً از تقویت‌کننده‌های فرکانس‌صوتی و در پیش آمپرها و مراحل با امپدانس‌ورودی بالا استفاده می‌شود.

به عنوان یک مدار تقویت کننده ، سیگنال خروجی با ورودی 180 درجه “خارج از فاز” است.

پیکربندی دروازه مشترک (CG)

در پیکربندی Common Gate (مشابه پایه مشترک) ، ورودی به Source اعمال می شود و خروجی آن از Drain گرفته می شود و Gate مستقیماً به زمین متصل است (0v) همانطور که نشان داده شده است.

ویژگی امپدانس‌ورودی بالا اتصال‌قبلی در‌این پیکربندی از بین می‌رود زیرا گیت‌مشترک دارای‌یک امپدانس‌ورودی کم است‌، اما یک امپدانس‌خروجی زیاد‌است.

این نوع پیکربندی FET می‌تواند در مدارهای با فرکانس بالا یا در مدارهای مطابق با امپدانس مورد استفاده قرار گیرد.

اگر یک امپدانس ورودی کم نیاز به همسان سازی با یک امپدانس خروجی بالا باشد.‌خروجی با ورودی “در فاز” است.

پیکربندی مشترک تخلیه (CD)

در پیکربندی Common Drain (مشابه جمع کننده مشترک) ورودی به Gate اعمال می‌شود و خروجی آن از Source گرفته می‌شود.

پیکربندی تخلیه معمول یا “پیرو منبع” دارای یک امپدانس ورودی بالا و یک امپدانس خروجی کم و افزایش ولتاژ نزدیک به وحدت است بنابراین در تقویت کننده های بافر استفاده می شود.

افزایش‌ولتاژ در پیکربندی دنبال کننده منبع‌کمتر از واحد است و سیگنال خروجی “درون فاز” است ، 0o با سیگنال ورودی.

به این نوع پیکربندی “Common Drain” گفته می شود.

زیرا در اتصال تخلیه سیگنالی در دسترس نیست ، ولتاژ موجود + VDD فقط یک سوگیری ایجاد می کند.

خروجی با ورودی در فاز است.

تقویت کننده JFET

دقیقاً مانند ترانزیستور اتصال دو قطبی ، JFET می تواند برای ساخت مدارهای تقویت کننده کلاس A تک مرحله ای با تقویت کننده منبع مشترک JFET و ویژگی های آن بسیار شبیه به مدار انتشار دهنده مشترک BJT باشد.

مزیت اصلی آمپلی فایرهای JFET نسبت به تقویت کننده های BJT امپدانس ورودی بالای آنها است که همانطور که نشان داده شده است

توسط شبکه مقاومتی بایاس گیت تشکیل شده توسط R1 و R2 کنترل می شود.

بایاس تقویت کننده JFET

این مدار تقویت کننده منبع مشترک (CS) در حالت کلاس “A” توسط شبکه تقسیم ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومتهای R1 و R2 مغرض است. ولتاژ روی مقاومت منبع RS به طور کلی تنظیم می شود که حدود یک چهارم VDD باشد ، (VDD / 4) اما می تواند هر مقدار معقولی باشد.

ولتاژ گیت مورد نیاز را می توان از این مقدار RS محاسبه کرد.

از آنجا که جریان‌Gate‌صفر است‌،‌(IG = 0) می‌توانیم ولتاژ ساکن DC مورد‌نیاز را با‌انتخاب مناسب مقاومتهای R1 و R2 تنظیم‌کنیم.

کنترل جریان تخلیه توسط پتانسیل Gate منفی باعث می شود ترانزیستور Junction Field Effect به عنوان یک سوئیچ مفید واقع شود و ضروری است که ولتاژ Gate هرگز برای یک JFET کانال N مثبت نباشد زیرا جریان کانال به Gate جریان می یابد و نه تخلیه و در نتیجه صدمه به JFET.

اصول اصلی کار برای JFET کانال-P همان کانال JFET کانال-N است‌، با این تفاوت که قطب ولتاژها باید معکوس شوند.

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورها ، نوع دیگری از ترانزیستور Field Effect به نام MOSFET را بررسی خواهیم کرد که اتصال Gate آن کاملاً از کانال اصلی انتقال جریان جدا شده است.