الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET)

ال حقل التأثير الترانزستور (FET) هو جهاز إلكتروني يكون فيه ملف الحقل الكهربائي يستخدم لتنظيم تدفق التيار. لتنفيذ هذا ، يتم تطبيق فرق محتمل عبر البوابة ومحطات المصدر للجهاز ، مما يغير الموصلية بين محطات الصرف والمصدر مما يتسبب في تدفق تيار محكوم عبر هذه المحطات.

تسمى FETs الترانزستورات أحادية القطب لأن هذه مصممة لتعمل كأجهزة من النوع الناقل الفردي. ستجد أنواعًا مختلفة من ترانزستورات التأثير الميداني المتاحة.

رمز

يمكن تصور الرموز الرسومية للقناة n و p-channel JFETs في الأشكال التالية.

يمكنك أن تلاحظ بوضوح أن علامات الأسهم التي تشير إلى الداخل لجهاز n-channel للإشارة إلى الاتجاه الذي أنا فيه_جي(تيار البوابة) من المفترض أن يتدفق عندما يكون التقاطع pn متحيزًا للأمام.

في حالة جهاز p-channel ، تكون الشروط متطابقة باستثناء الاختلاف في اتجاه رمز السهم.

الفرق بين FET و BJT

ترانزستور تأثير المجال (FET) هو جهاز ثلاثي الأطراف مصمم لمجموعة واسعة من تطبيقات الدوائر التي تكمل ، إلى مستوى كبير ، تلك الخاصة بترانزستور BJT.

بينما ستجد اختلافات كبيرة بين BJTs و JFETs ، هناك بالفعل العديد من الخصائص المطابقة التي سيتم الحديث عنها في المناقشات التالية. الفرق الرئيسي بين هذه الأجهزة هو BJT هو جهاز يتم التحكم فيه حاليًا كما هو موضح في الشكل 5.1 أ ، في حين أن ترانزستور JFET هو جهاز يتم التحكم فيه بالجهد كما هو موضح في الشكل 5.1 ب.

ببساطة ، أنا الحالي_جفي الشكل 5.1 أ وظيفة فورية لمستوى I_ب. بالنسبة لـ FET ، فإن التيار I هو دالة للجهد V_عتعطى لدائرة الإدخال كما هو موضح في الشكل 5.1 ب.

في كلتا الحالتين ، سيحكم تيار دائرة الإخراج بواسطة معلمة لدائرة الإدخال. في حالة واحدة المستوى الحالي وفي الحالة الأخرى الجهد المطبق.

تمامًا مثل npn و pnp للترانزستورات ثنائية القطب ، ستجد ترانزستورات ذات تأثير ميداني ذو قناة n وقناة p. لكن ، يجب أن تتذكر أن ترانزستور BJT هو جهاز ثنائي القطب ، البادئة تشير إلى أن مستوى التوصيل هو دالة لحاملتي شحن ، إلكترونات وثقوب.

من ناحية أخرى ، فإن FET هو ملف جهاز أحادي القطب يعتمد فقط على توصيل الإلكترون (n-channel) أو ثقب (p-channel).

يمكن تفسير عبارة 'تأثير المجال' على النحو التالي: نحن جميعًا ندرك قوة المغناطيس الدائم لجذب برادة معدنية نحو المغناطيس دون أي اتصال مادي. بطريقة مماثلة تمامًا داخل FET ، يتم إنشاء مجال كهربائي بواسطة الشحنات الحالية التي تؤثر على مسار التوصيل لدائرة الإخراج دون أي اتصال مباشر بين الكميات المسيطرة والكميات المتحكم فيها. ربما تكون إحدى أهم ميزات FET هي مقاومة المدخلات العالية.

تتراوح من 1 إلى عدة مئات ميغا أوم ، فإنه يتجاوز بشكل كبير نطاقات مقاومة الإدخال العادية لتكوينات BJT ، وهي سمة مهمة للغاية أثناء تطوير نماذج مضخم التيار المتردد الخطي.

ومع ذلك ، فإن BJT يحمل حساسية أكبر للتغيرات في إشارة الإدخال. بمعنى ، التغيير في تيار الإخراج يكون عادةً أكثر بشكل ملحوظ بالنسبة لـ BJTs من FETs لنفس القدر من التغيير في الفولتية المدخلة.

لهذا السبب ، يمكن أن تكون مكاسب جهد التيار المتردد القياسية لمكبرات الصوت BJT أعلى بكثير مقارنة بـ FETs.

بشكل عام ، تعتبر FETs أكثر مرونة من الناحية الحرارية من BJTs ، وغالبًا ما تكون أصغر حجمًا في الهيكل مقارنة بـ BJTs ، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتضمين كدائرة متكاملة (I_ج)رقائق.

من ناحية أخرى ، يمكن للخصائص الهيكلية لبعض FETs أن تسمح لهم بأن يكونوا أكثر حساسية للتلامس الجسدي من BJTs.

المزيد من العلاقة بين BJT / JFET

• بالنسبة إلى BJT V._يكون= 0.7 فولت هو العامل المهم لبدء تحليل تكوينها.
• وبالمثل ، فإن المعلمة I_جيعادةً ما يكون = 0 A هو أول شيء يؤخذ في الاعتبار لتحليل دائرة JFET.
• لتكوين BJT ، أنا_بغالبًا ما يكون العامل الأول الذي يجب تحديده.
• وبالمثل ، بالنسبة لـ JFET ، عادةً ما يكون V_ع.

في هذه المقالة سوف نركز على JFETs أو ترانزستورات تأثير مجال الوصلة ، في المقالة التالية سوف نناقش حول ترانزستور المجال ذي أكسيد المعادن شبه الموصل أو MOS-FET.

بناء وخصائص JFETs

كما تعلمنا من Earliet ، فإن JFET لديها 3 خيوط. يتحكم أحدهما في التدفق الحالي بين الاثنين الآخرين.

تمامًا مثل BJTs ، في JFETs أيضًا ، يتم استخدام جهاز n-channel بشكل بارز أكثر من نظرائه في القناة p ، حيث تميل الأجهزة n إلى أكثر كفاءة وسهولة في الاستخدام مقارنة بالجهاز p.

في الشكل التالي يمكننا أن نرى الهيكل الأساسي أو بناء قناة JFET ذات n. يمكننا أن نرى أن التركيب من النوع n يشكل القناة الرئيسية عبر طبقات النوع p.

يتم ربط الجزء العلوي من القناة من النوع n من خلال اتصال أومي بنهاية تسمى استنزاف (D) ، بينما يتصل الجزء السفلي من نفس القناة أيضًا من خلال اتصال أومي مع طرف آخر يسمى المصدر (S).

زوجان من المواد من النوع p متصلان معًا بالمحطة المشار إليها بالبوابة (G). بشكل أساسي ، نجد أن محطات الصرف والمصدر مرتبطة بنهايات القناة من النوع n. يتم توصيل محطة البوابة بزوج من مادة القناة p.

عندما لا يكون هناك جهد مطبق عبر jfet ، فإن تقاطعي p-n الخاص بهما يكونان بدون أي شروط انحياز. في هذه الحالة توجد منطقة استنفاد على كل تقاطع كما هو موضح في الشكل أعلاه ، والتي تبدو تمامًا مثل منطقة الصمام الثنائي p-n دون أي انحياز.

تشبيه المياه

يمكن فهم عمليات التشغيل والتحكم في JFET من خلال القياس المائي التالي.

هنا ، يمكن مقارنة ضغط الماء مع مقدار الجهد المطبق من الصرف باتجاه المصدر.

يمكن مقارنة تدفق الماء بتدفق الإلكترونات. فم الصنبور يحاكي طرف المصدر الخاص بـ JFET ، بينما الجزء العلوي من الصنبور حيث يتم دفع الماء إلى الداخل يصور استنزاف JFET.

يعمل مقبض الصنبور مثل بوابة JFET. بمساعدة جهد الإدخال ، فإنه يتحكم في تدفق الإلكترونات (الشحنة) من الصرف إلى المصدر ، تمامًا كما يتحكم مقبض الصنبور في تدفق الماء عند فتحة الفم.

من هيكل JFET يمكننا أن نرى أن الصرف ومحطات المصدر تقع على طرفي نقيض للقناة n ، وبما أن المصطلح يعتمد على تدفق الإلكترون يمكننا أن نكتب:

الخامس_ع= 0 فولت ، الخامس_DSبعض القيمة الإيجابية

في الشكل 5.4 يمكننا أن نرى جهدًا إيجابيًا V_DSتطبق عبر قناة n. يتم ربط محطة البوابة مباشرة بالمصدر لإنشاء شرط V._ع= 0 فولت. يتيح ذلك للبوابة ومحطات المصدر أن تكون في نفس الإمكانات ، وينتج عن منطقة استنفاد نهاية منخفضة لكل مادة p ، تمامًا كما نراه في الرسم البياني الأول أعلاه مع حالة عدم التحيز.

بمجرد الجهد الخامس_DD(= V._DS) ، يتم سحب الإلكترونات نحو طرف الصرف ، مما يولد التدفق التقليدي لمعرف التيار ، كما هو موضح في الشكل 5.4.

يكشف اتجاه تدفق الشحنة أن تيار الصرف والمصدر متساويان في الحجم (I_د= أنا_س). وفقًا للشروط الموضحة في الشكل 5.4 ، يبدو تدفق الشحنة غير مقيد تمامًا ، ويتأثر فقط بمقاومة القناة n بين الصرف والمصدر.

قد تلاحظ أن منطقة النضوب أكبر حول الجزء العلوي من كلتا المادتين من النوع p. يمكن تفسير هذا الاختلاف في حجم المنطقة بشكل مثالي من خلال الشكل 5.5. لنتخيل وجود مقاومة موحدة في القناة n ، يمكن تقسيمها إلى الأقسام الموضحة في الشكل 5.5.

أنا الحالي_دقد يبني نطاقات الجهد عبر القناة كما هو موضح في نفس الشكل. نتيجة لذلك ، ستكون المنطقة العليا من المادة من النوع p منحازة عكسيًا بمستوى حوالي 1.5 فولت ، مع كون المنطقة السفلية منحازة عكسيًا بمقدار 0.5 فولت.

النقطة التي يكون فيها التقاطع p-n منحازًا عكسيًا على طول القناة بأكملها يؤدي إلى ظهور تيار بوابة بصفر أمبير كما هو معروض في نفس الشكل. هذه الخاصية التي تؤدي إلي_جي= 0 A هي سمة مهمة من سمات JFET.

مثل V._DSيتم زيادة الجهد من 0 إلى بعض الفولتات ، ويزداد التيار وفقًا لقانون أوم ومؤامرة أنا_دالسطر 5_DSيمكن أن تبدو مثبتة في الشكل 5.6.

يُظهر الاستقامة المقارن للتخطيط أنه بالنسبة للمناطق ذات القيمة المنخفضة لـ V._DS، المقاومة موحدة بشكل أساسي. مثل V._DSيرتفع ويقترب من مستوى يُعرف بـ VP في الشكل 5.6 ، تتسع مناطق النضوب كما هو موضح في الشكل 5.4.

ينتج عن هذا انخفاض واضح في عرض القناة. يؤدي انخفاض مسار التوصيل إلى زيادة المقاومة مما يؤدي إلى ظهور منحنى الشكل 5.6.

كلما ازداد المنحنى أفقيًا ، زادت المقاومة ، مما يشير إلى أن المقاومة تتجه نحو أوم 'لانهائي' في المنطقة الأفقية. عندما كان V._DSإلى الحد الذي يبدو فيه أن منطقتي النضوب قد 'تتلامسان' كما هو معروض في الشكل 5.7 ، يؤدي إلى حالة تعرف باسم الانغلاق.

المبلغ الذي بواسطته V._DSيطور هذا الوضع يسمى قرصة قبالة الجهد ويرمز له بـ V._صكما هو معروض في الشكل 5.6. بشكل عام ، تعد كلمة القرص المضغوط مضللة لأنها تشير إلى أنا الحالي_د'مقروص' وينخفض ​​إلى 0 أ. كما ثبت في الشكل 5.6 ، هذا بالكاد يبدو واضحًا في هذه الحالة. أنا_ديحتفظ بمستوى تشبع يتميز بـ I_DSSفي الشكل 5.6.

الحقيقة هي أن قناة صغيرة جدًا لا تزال موجودة ، مع تيار من التركيز العالي بشكل ملحوظ.

النقطة التي لا يسقط عندها المعرف قرصة قبالة ويحافظ على مستوى التشبع كما هو موضح في الشكل 5.6 يتم تأكيده بالدليل التالي:

نظرًا لعدم وجود تيار تصريف يلغي إمكانية وجود مستويات محتملة متنوعة من خلال مادة n-channel لتحديد الكميات المتغيرة من التحيز العكسي على طول تقاطع pn. والنتيجة النهائية هي فقدان توزيع منطقة النضوب التي تسببت قرصة قبالة لتبدأ.

كما نزيد V_DSفوق V._ص، منطقة الاتصال القريبة حيث ستواجه منطقتا النضوب مع زيادة الطول على طول القناة. ومع ذلك ، لا يزال مستوى المعرف ثابتًا بشكل أساسي.

وهكذا فإن اللحظة الخامسة_DSأعلى من V._ص، JFET يكتسب خصائص المصدر الحالي.

كما ثبت في الشكل 5.8 ، يتم تحديد التيار في JFET عند I_د= أنا_DSS، لكن الجهد الخامس_DSتم إنشاء أعلى من VP بواسطة الحمل المتصل.

يعتمد اختيار تدوين IDSS على حقيقة أن تيار التصريف إلى المصدر له ارتباط قصير الدائرة عبر البوابة إلى المصدر.

يعطينا مزيد من التحقيق التقييم التالي:

أنا_DSSهو أعلى تيار استنزاف لـ JFET ويتم تحديده وفقًا للشروط V._ع= 0 الخامس و الخامس_DS> | نائب الرئيس |.

لاحظ ذلك في الشكل 5.6 فولت_عهو 0V لتمديد المنحنى الكامل. في الأقسام التالية سوف نتعلم كيف تتأثر سمات الشكل 5.6 كمستوى V._عكل شخص يحتاج إلى الاعتقاد في شيء.

الخامس_ع <0V

يشار إلى الفولتية المطبقة عبر البوابة والمصدر على أنها VGS ، وهي المسؤولة عن التحكم في عمليات JFET.

إذا أخذنا مثال BJT ، تمامًا مثل منحنيات I_جضد V_هذهمصممة لمستويات مختلفة من أنا_ب، وبالمثل منحنيات أنا_دضد V_DSلمستويات مختلفة من V._عيمكن إنشاؤها لنظير JFET.

لهذا ، يتم تعيين محطة البوابة عند جهد منخفض مستمر أدنى من مستوى إمكانية المصدر.

بالإشارة إلى الشكل 5.9 أدناه ، يتم تطبيق -1V عبر محطات البوابة / المصدر من أجل V مخفض_DSمستوى.

الهدف من التحيز السلبي المحتمل V_عهو تطوير مناطق نضوب تشبه حالة V._ع= 0 ، ولكن عند انخفاض كبير في V_DS.

يؤدي هذا إلى وصول البوابة إلى نقطة تشبع بمستويات أقل من V_DSكما هو مبين في الشكل 5.10 (V._ع= -1V).

مستوى التشبع المقابل لـ I_ديمكن العثور على أنه تم تقليله وفي الواقع يستمر في التناقص مثل V._عأصبح أكثر سلبية.

يمكنك أن ترى بوضوح في الشكل 5.10 كيف يستمر جهد الضغط في الانخفاض مع شكل مكافئ مثل V_عيصبح أكثر وأكثر سلبية.

أخيرًا ، عندما قام V._ع= -V_ص، يصبح سالبًا بدرجة كافية لإنشاء مستوى تشبع يبلغ في النهاية 0 مللي أمبير. في هذا المستوى ، يتم إيقاف تشغيل JFET تمامًا.

مستوى V._عالذي يسبب أنا_دللوصول إلى 0 مللي أمبير يتميز V._ع= V._صحيث V_صهو جهد سلبي للأجهزة n-channel والجهد الإيجابي للقناة p JFETs.

بشكل عام ، قد تجد معظم أوراق بيانات JFET معروضة قرصة قبالة الجهد المحدد على أنه V_{GS (إيقاف)}بدلاً من V._ص.

المنطقة الموجودة على الجانب الأيمن من موضع الضغط في الشكل أعلاه هي المكان المستخدم تقليديًا في مكبرات الصوت الخطية لتحقيق إشارة خالية من التشويه. هذه المنطقة تسمى بشكل عام منطقة تيار ثابت أو تشبع أو تضخيم خطي.

المقاوم التحكم في الجهد

المنطقة الموجودة على الجانب الأيسر من موضع الضغط في نفس الشكل تسمى المنطقة الأومية أو منطقة المقاومة ذات الجهد الكهربائي.

في هذه المنطقة ، يمكن في الواقع تشغيل الجهاز كمقاوم متغير (على سبيل المثال في تطبيق التحكم التلقائي في الكسب) ، مع التحكم في مقاومته من خلال إمكانية البوابة / المصدر المطبقة.

يمكنك أن ترى أن ميل كل من المنحنيات التي تشير أيضًا إلى مقاومة التصريف / المصدر لـ JFET لـ V_DS صيحدث أن تكون دالة لـ V المطبق_عالقدره.

نظرًا لأننا نجعل VGS أعلى مع وجود إمكانات سلبية ، يصبح ميل كل منحنى أفقيًا أكثر فأكثر ، مما يُظهر مستويات مقاومة متزايدة نسبيًا.

نحن قادرون على الحصول على تقدير أولي جيد لمستوى المقاومة فيما يتعلق بجهد VGS ، من خلال المعادلة التالية.

ف قناة JFET العمل

يتطابق التخطيط الداخلي وبناء قناة JFET بدقة مع نظير قناة n ، باستثناء أن مناطق المواد من النوع p و n معكوسة ، كما هو موضح أدناه:

يمكن أيضًا رؤية اتجاهات التدفق الحالي على أنها معكوسة ، جنبًا إلى جنب مع القطبية الفعلية للجهد VGS و VDS. في حالة وجود قناة JFET من p ، ستصبح القناة مقيدة استجابةً لزيادة الإمكانات الإيجابية عبر البوابة / المصدر.

التدوين برقم مزدوج لـ V._DSسوف يؤدي إلى ظهور جهد سلبي لـ V._DS، كما هو موضح في خصائص الشكل 5.12. هنا ، يمكنك أن تجد أنا_DSSعند 6 مللي أمبير ، بينما يكون الجهد الكهربي عند V_ع= + 6 فولت.

من فضلك لا تشعر بالحيرة بسبب وجود علامة ناقص الخاصة بـ V._DS. إنه يشير ببساطة إلى أن المصدر يحمل إمكانات أعلى من الصرف.

يمكنك أن ترى أن منحنيات ارتفاع V_DSمستويات ترتفع فجأة إلى القيم التي تبدو غير مقيدة. يشير الارتفاع الموضح الرأسي إلى حالة الانهيار ، مما يعني أن التيار عبر جهاز القناة يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة الدوائر الخارجية في هذا الوقت.

على الرغم من أن هذا ليس واضحًا في الشكل 5.10 لجهاز n-channel ، فقد يكون ذلك ممكنًا تحت جهد عالٍ بدرجة كافية.

يمكن القضاء على هذه المنطقة إذا كان V._{DS (حد أقصى)}تمت الإشارة إليه من ورقة البيانات الخاصة بالجهاز ، وتم تكوين الجهاز بحيث يكون V الفعلي_DSالقيمة أقل من هذه القيمة المسجلة لأي V._ع.