Transistors d'efecte de camp d'unió
Els transistors d'efecte de camp d'unió són transistors basats en semiconductors controlats per tensió. Són transistors unidireccionals amb tres terminals; desguàs, font i porta. Els JFET no tenen unions PN, però estan formats per canals de materials semiconductors.
Construcció i classificacions
Els JFET tenen un gran canal per al flux dels portadors de càrrega majoritaris. Aquest canal es coneix com a substrat. El substrat pot ser de material de tipus P o de tipus N. Dos contactes externs coneguts com a contactes òhmics es col·loquen als dos extrems del canal. Els JFET es classifiquen en funció del material semiconductor del substrat en la seva construcció.
Transistors JFET de canal N
El canal està fet de material d'impureses de tipus N, mentre que les portes es componen de material d'impureses de tipus P. El material de tipus N significa que les impureses pentavalents han estat dopades i la majoria dels portadors de càrrega són electrons lliures al canal. La construcció bàsica i la presentació simbòlica dels JFET de canal N es mostra a continuació:
Transistors JFET de canal P
El canal es compon de material d'impureses de tipus P, mentre que les portes es componen de material d'impureses de tipus N. El canal P significa que les impureses trivalents s'han dopat al canal i la majoria dels portadors de càrrega són forats. La construcció bàsica i la presentació simbòlica del JFET P-Channel es mostra a continuació:
Funcionament dels JFET
Els JFET es descriuen sovint amb l'analogia de la canonada de la mànega d'aigua. El flux d'aigua a través de canonades és anàleg al flux d'electrons a través dels canals dels JFET. La compressió de la canonada d'aigua determina la quantitat de cabal d'aigua. De la mateixa manera, en el cas dels JFET, l'aplicació de tensions a través dels terminals de la porta decideix l'estrenyiment o l'ampliació del canal per al moviment de les càrregues de la font al desguàs.
Quan s'aplica una tensió de polarització inversa a través de la porta i la font, el canal s'estreny mentre augmenta la capa d'esgotament. Aquest mode de funcionament s'anomena mode de pessic. Aquest tipus de comportament del canal es representa a continuació:
Corba de característiques JFET
Els JFET són dispositius en mode d'esgotament, la qual cosa significa que operen en l'ampliació o l'estrenyiment de les capes d'esgotament. Per analitzar els modes de funcionament complets, s'aplica la següent disposició de polarització a través d'un JFET de canal N.
S'apliquen dues tensions de polarització diferents als terminals JFET. El VDS s'aplica entre el drenatge i la font mentre que el VGS s'aplica entre la porta i la font, tal com es mostra a la figura anterior.
JFET funcionarà en quatre modes de funcionament diferents, tal com s'explica a continuació.
1: Mode ohmic
El mode ohmic és un estat normal sense cap tensió de polarització aplicada als seus terminals. Per tant, VGS=0 en mode òhmic. La capa d'esgotament serà molt prima i el JFET funciona com un element òhmic com una resistència.
2: Mode Pinch-Off
En mode de tall, s'aplica una tensió de polarització suficient a través de la porta i la font. La tensió de polarització inversa aplicada estira la regió d'esgotament al nivell màxim i, per tant, el canal es comporta com un interruptor obert que resisteix el flux de corrent.
3: Mode de saturació
La tensió de polarització de la porta i de la font controla el flux de corrent a través del canal de JFET. El corrent varia amb el canvi de tensió de polarització. La tensió de polarització de drenatge i font té un efecte insignificant en aquest mode.
4: Mode d'avaria
La tensió de polarització de drenatge i font augmenta fins a un nivell que trenca la capa d'esgotament al canal dels JFET. Això condueix al màxim flux de corrent a través del canal.
Expressions matemàtiques per a paràmetres de JFET
En els modes de saturació, els JFET entren en modes conductors on la tensió varia el corrent. Per tant, es pot avaluar el corrent de drenatge. L'expressió per avaluar el corrent de drenatge ve donada per:
El canal s'eixampla o s'estreny amb l'aplicació de tensions de porta. La resistència del canal respecte a l'aplicació de la tensió drenatge-font s'expressa com:
RDS també es pot calcular mitjançant el guany de transconductància, gm:
Configuracions de JFET
Els JFET es poden connectar de diverses maneres amb les tensions d'entrada. Aquestes configuracions es coneixen com a font comuna, porta comuna i configuracions de drenatge comuns.
Configuració de font comú
En la configuració de la font comuna, la font de JFET està connectada a terra i l'entrada es connecta al terminal de la porta mentre la sortida es pren del desguàs. Aquesta configuració ofereix una alta impedància d'entrada i funcions d'amplificació de tensió. Aquesta configuració del mode amplificador és la més comuna de totes les configuracions de JFET. La sortida obtinguda és 180 graus desfasada amb l'entrada.
Configuració de la porta comuna
En una configuració de porta comuna, la porta està connectada a terra mentre l'entrada està connectada a la font i la sortida es pren del drenatge. Com que la porta està connectada a terra, la configuració té una impedància d'entrada baixa però una impedància més alta a la sortida. La sortida obtinguda està en fase amb l'entrada:
Configuració de drenatge comuna
En un drenatge comú, l'entrada està connectada a la porta mentre que la sortida està connectada des del terminal font. Aquesta configuració també ofereix una impedància d'entrada baixa i una impedància de sortida més alta igual que la configuració de la porta comuna, però el guany de tensió és aproximadament la unitat aquí.
Aquesta configuració també coincideix amb la font comuna on l'entrada està connectada a la porta, però la configuració de la font comuna té un guany inferior a la unitat.
Aplicació: Configuració de l'amplificador JFET
Els JFET es poden fer funcionar com a amplificadors de classe A quan el terminal de la porta està connectat amb una xarxa divisora de tensió. S'aplica una tensió externa a través del terminal font, que es configura principalment per ser una quarta part del VDD al circuit següent.
Per tant, la tensió de la font es pot expressar com:
A més, la tensió de la font es pot calcular mitjançant l'expressió següent:
El corrent de drenatge es pot calcular a partir de la configuració anterior de la següent manera:
La tensió de la porta es pot obtenir en funció dels valors de les resistències R1 i R2 tal com es proporciona a continuació.
Exemple 1: càlcul de V DD
Si V GS (desactivat) =-8V, I DSS = 24 mA per a JFET a la configuració següent, calculeu V DD com es mostra a la figura quan R D =400.
Des de
L'anterior serà el valor mínim de VDS perquè JFET funcioni en una regió de corrent constant, per tant:
També,
Aplicant KVL al circuit de drenatge:
Exemple 2: determineu el valor del corrent de drenatge
Determineu el valor del corrent de drenatge quan VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA per a la configuració JFET inferior.
L'expressió del corrent de drenatge és:
Conclusió
Els transistors d'efecte de camp d'unió són tres dispositius semiconductors terminals que funcionen amb el comportament de les regions d'esgotament en diferents modes de funcionament. No tenen unions PN, però estan fetes de canals de materials semiconductors.