Notatka

Budowa
Tranzystor JFET (zwany też PNFET) zbudowany jest z płytki z jednego typu półprzewodnika
(p lub n), która stanowi tzw. kanał. Na jego końcach znajdują się styki źródła (ang. source - S)
i drenu (ang. drain - D). Dookoła środkowej części kanału (lub po obu jego stronach)
występuje bramka - obszar półprzewodnika przeciwnego typu - jeżeli kanał jest typu n, to
bramka jest typu p, i odwrotnie - gdy kanał jest typu p, to bramka jest wykonana z
półprzewodnika typu n. Powstałe złącze bramka-kanał polaryzuje się zawsze zaporowo.
Dlatego tranzystor JFET wykazuje dużą rezystancję wejściową (rzędu GΩ - odpowiadającą
rezystancji złącza p-n spolaryzowanego zaporowo.
Na rysunkach pokazane są symbole graficzne tranzystorów polowych złączowych JFET.
Zwrot strzałki na rysunku wskazuje kierunek przepływu prądu w przypadku, gdy bramka jest
spolaryzowana w kierunku przewodzenia.
Metoda wytwarzania
Wszystkie tranzystory JFET wytwarza się z półprzewodników monokrystalicznych. Sposób
wykonania tranzystora z kanałem typu n jest następujący:
•
•
•
•
na płytce podłoża wykonanej z krzemu typu p+ (dolna bramka) nanosi się warstwę
epitaksjalną typu n (która stanowi kanał tranzystora)
w warstwie epitaksjalnej metodą dyfuzji wytwarza się warstwę p+ (górna część
bramki)
wykonuje się kontakty metalowe do warstw p+ (styki omowe obu części bramki)
na końcu wykonuje się styki do kanału typu n (kontakty źródła i drenu)
Zasada działania
Przy małej wartości napięcia dren – źródło (UDS ≥ 0) oraz przy braku polaryzacji bramki (UGS
= 0) warstwa zaporowa złącza bramka – kanał wnika na niewielką głębokość do obszarów
kanału. Ponieważ obszar bramki jest o kilka rzędów wielkości silniej domieszkowany niż
obszar kanału, warstwa zaporowa wnika o wiele głębiej do kanału niż do bramki.
W przypadku przyłączania napięcia UDS pomiędzy drenem a źródłem popłynie prąd drenu ID,
zależny liniowo od napięcia UDS. Prąd ten jest prądem nośników większościowych
(elektronów w przypadku kanału typu n, dziur w kanale typu p). Gdy wzrasta napięcie UGS
(polaryzacja zaporowa złącza bramka-kanał), warstwa zaporowa rośnie, kanał się zawęża.
Rezystancja kanału rośnie, a wartość prądu drenu maleje. Przy dalszym wzroście napięcia
nastąpi zetknięcie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału. Prąd drenu maleje do zera.
Ten stan tranzystora nazywa się odcięciem (ang. pinch-off) lub zatkaniem. Wartość napięcia
UGS przy której tranzystor wchodzi w ten stan, nazywa się napięciem odcięcia (ang. pinch-off
voltage) lub zatkania i jest oznaczana przez UGS. Dalszy wzrost napięcia UGS nie wpływa na
prąd drenu, a w skrajnym wypadku może doprowadzić do przebicia złącza bramka-kanał. W
stanie zatkania tranzystor posiada bardzo dużą rezystancję między źródłem a drenem, rzędu
gigaomów.
Teoretycznie tranzystor polowy złączowy może też pracować przy napięciu UGS
polaryzującym złącze bramka-kanał w kierunku przewodzenia, jeśli tylko to napięcie jest
mniejsze od napięcia dyfuzyjnego dla złącza (ok. 0,7 V w tranzystorze krzemowym).
Wówczas tranzystor ma małą rezystancję wejściową i w obwodzie bramka-źródło płynie dość
duży prąd przewodzenia. Prąd drenu zachowuje stałą wartość, niezależnie od napięcia UDS. O
tak działającym tranzystorze mówi się, że pracuje w obszarze nasycenia, gdzie prąd drenu nie
zależy od napięcia dren-źródło, ale zależy od napięcia na bramce UGS.
Parametry pracy i charakterystyki
Napięcie UDS, przy którym tranzystor przechodzi w stan nasycenia, oznacza się UDSSAT (ang.
saturation - nasycenie). Zależy ono od napięcia na bramce - UGS. Dla UGS = 0 V napięcie
saturacji jest równe napięciu odcięcia.
Charakterystyka wyjściowa
Charakterystyka wyjściowa tranzystora przedstawia graficznie zależność prądu drenu ID od
napięcia dren-źródło UDS, przy stałym napięciu bramka-źródło UGS. Napięcie UGS = 0
odpowiada zwarciu bramki ze źródłem. Prąd drenu, który płynie przy bramce zwartej ze
źródłem oznacza się symbolem IDSS. Pierwsza litera S oznacza nasycenie (ang. saturation),
druga zwarcie (ang. shorted). W obszarze nasycenia, czyli dla płaskich części charakterystyk
wyjściowych, prąd drenu można wyznaczyć z następującego wzoru:
Dla danego tranzystora wartości IDSS i UP są stałe, więc prąd drenu zależy tylko od napięcia
UGS. Ze wzoru wynika, że dla UGS równego napięciu odcięcia prąd drenu nie płynie, czyli ID
= 0.
Charakterystyka przejściowa
Charakterystyka przejściowa tranzystora JFET wyraża zależność prądu drenu ID od napięcia
bramka-źródło UGS. Nachylenie stycznej do charakterystyki przejściowej stanowi wartość
konduktancji przejściowej w danym punkcie.
Obliczając ze wzoru na ID pochodną względem napięcia UGS można otrzymać wzór na
zależność konduktancji przejściowej od napięcia UGS.
Największa wartość nachylenia stycznej wystąpi dla UGS = 0. Wówczas
Ze wzrostem napięcia UGS wartość konduktancji przejściowej maleje. Przy małych
wartościach napięcia dren-źródło tranzystor może pełnić rolę rezystora o rezystancji
zmienianej za pomocą napięcia UGS. Wartość dynamicznej rezystancji wyjściowej można
obliczyć ze wzoru
gdzie K jest stałą. Dla UGS = UP wartość rezystancji wyjściowej dąży do nieskończoności.
W stanie odcięcia tranzystora, przy zamkniętym kanale, płynie prąd upływu ID(OFF) rzędu
nanoamperów. Ten sam rząd wielkości ma prąd bramki płynący przy zaporowej polaryzacji
złącza bramka-kanał. Prąd ten, oznaczany IGSS, zależy wykładniczo od temperatury. Jego
wzrost powoduje zmniejszanie się rezystancji wejściowej tranzystora pod wpływem
temperatury.
Wiele tranzystorów polowych może równie dobrze pracować w połączeniu normalnym, jak i
inwersyjnym (źródło zamienione z drenem). Żadna z tych elektrod nie jest specjalnie
wyróżniona.
Pomiar charakterystyk
Badanie charakterystyk tranzystora JFET przeprowadza się w układzie jak na rysunku:
•
•
•
•
T - tranzystor JFET z kanałem typu n
R1 - rezystor 57 kΩ
R2 - rezystor 1 kΩ
P1, P2 - potencjometry o nominalnej rezystancji 10 kΩ (służące jako dzielniki
napięcia)
Aby wyznaczyć charakterystykę wyjściową, należy ustalić napięcie UGS. Zwiększając
napięcie UDS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu ID.
Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie UGS.
Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia źródło-dren
tworzą charakterystykę wyjściową.
Aby wyznaczyć charakterystykę przejściową, należy ustalić napięcie UDS. Zwiększając
napięcie UGS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu ID.
Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie UDS.
Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia bramka-źródło
tworzą charakterystykę przejściową.
Zastosowanie
Tranzystory JFET są często wykorzystywane w konstrukcji wzmacniaczy sygnałów. Część
wzmacniaczy operacyjnych działa również wykorzystując tranzystory JFET. Jednakże do
tych celów można wykorzystywać różne typy tranzystorów, także bipolarne czy z izolowaną
bramką (choć te rzadziej). Natomiast jako rezystor sterowany napięciem może być użyty
tylko tranzystor polowy.
Potencjometr sterowany napięciem
W stanie nienasyconym tranzystor JFET może być wykorzystany jako potencjometr o
wartości rezystancji regulowanej napięciem. Jest to możliwe dlatego, że dla niewielkich
wartości napięcia UDS prąd ID jest praktycznie wprost proporcjonalny do napięcia UDS.
Nachylenie charakterystyki wyjściowej jest zależne od napięcia na bramce – UGS, a to znaczy,
że konduktancją wyjściową tranzystora (a zatem rezystancją) można sterować za pomocą
przykładania napięcia na bramkę. Takie zachowanie można jednak wykorzystywać tylko w
niewielkim zakresie napięć dren-źródło. Aby rozszerzyć użyteczność takiego rozwiązania,
stosuje się tzw. ujemne sprzężenie zwrotne. Polega ono na tym, że część napięcia UDS jest
podana przy pomocy dzielnika napięciowego na bramkę tranzystora.
Źródło prądowe ze sprzężeniem zwrotnym
Układ źródła prądowego charakteryzuje się tym, że prąd I przezeń płynący jest względnie
niezależny od napięcia U. W przykładowym układzie zmiana wartości rezystora R powoduje
zmianę wielkości prądu. Działanie układu polega na zastosowaniu sprzężenia zwrotnego. Gdy
układ zostanie podłączony do zasilania, w pierwszej chwili przez tranzystor nie płynie prąd.
Zatem spadek napięcia na rezystorze będzie równy 0, jak również napięcie UGS będzie równe
0. Jednak zerowa wartość napięcia bramka-źródło umożliwia przepływ dużego prądu przez
kanał tranzystora. W związku z tym prąd zacznie wzrastać i na rezystorze pojawi się spadek
napięcia, zgodnie z prawem Ohma. Będzie on polaryzował bramkę ujemnie, co spowoduje
zawężanie kanału. Ostatecznie układ wejdzie w stan równowagi.
Bibliografia:
- http://zbyszek.ovh.org/jfet/index.html