Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sind spannungsgesteuerte Transistoren auf Halbleiterbasis. Dies sind unidirektionale Transistoren mit drei Anschlüssen; Drain, Source und Gate. JFETs haben keine PN-Übergänge, sondern bestehen aus Kanälen aus Halbleitermaterialien.
Konstruktion und Klassifizierungen
JFETs verfügen über einen großen Kanal für den Fluss von Mehrheitsladungsträgern. Dieser Kanal wird als Substrat bezeichnet. Das Substrat kann aus P-Typ- oder N-Typ-Material bestehen. Zwei externe Kontakte, sogenannte ohmsche Kontakte, werden über die beiden Enden des Kanals gelegt. JFETs werden anhand des Halbleitermaterials des Substrats in ihrer Konstruktion klassifiziert.
N-Kanal-JFET-Transistoren
Der Kanal besteht aus Verunreinigungsmaterial vom N-Typ, während Gates aus Verunreinigungsmaterial vom P-Typ bestehen. N-Typ-Material bedeutet, dass die fünfwertigen Verunreinigungen dotiert wurden und die Mehrheit der Ladungsträger freie Elektronen im Kanal sind. Der grundlegende Aufbau und die symbolische Darstellung von N-Kanal-JFETs ist unten dargestellt:
P-Kanal-JFET-Transistoren
Der Kanal besteht aus Verunreinigungsmaterial vom P-Typ, während Gates aus Verunreinigungsmaterial vom N-Typ bestehen. P-Kanal bedeutet, dass dreiwertige Verunreinigungen in den Kanal dotiert wurden und die Mehrheitsladungsträger Löcher sind. Der grundlegende Aufbau und die symbolische Darstellung des P-Kanal-JFET ist unten dargestellt:
Funktionsweise von JFETs
JFETs werden oft in Analogie zu Wasserschläuchen beschrieben. Der Wasserfluss durch Rohre ist analog zum Elektronenfluss durch Kanäle von JFETs. Das Zusammendrücken der Wasserleitung entscheidet über die Wassermenge, die fließt. In ähnlicher Weise entscheidet bei JFETs das Anlegen von Spannungen an den Gate-Anschlüssen über die Verengung oder Verbreiterung des Kanals für die Ladungsbewegung von Source zu Drain.
Wenn eine umgekehrte Vorspannung an Gate und Source angelegt wird, verengt sich der Kanal, während die Verarmungsschicht zunimmt. Diese Betriebsart wird Pinch-Off-Modus genannt. Diese Art von Kanalverhalten wird unten dargestellt:
JFET-Charakteristikkurve
JFETs sind Geräte im Verarmungsmodus, was bedeutet, dass sie mit der Verbreiterung oder Verengung von Verarmungsschichten arbeiten. Um die vollständigen Betriebsmodi zu analysieren, wird die folgende Vorspannungsanordnung auf einen N-Kanal-JFET angewendet.
An den JFET-Anschlüssen werden zwei unterschiedliche Vorspannungen angelegt. VDS wird zwischen Drain und Source angelegt, während VGS zwischen Gate und Source angelegt wird, wie in der obigen Abbildung gezeigt.
JFET soll in vier verschiedenen Betriebsmodi arbeiten, wie unten erläutert.
1: Ohmscher Modus
Der ohmsche Modus ist ein normaler Zustand, an dessen Anschlüssen keine Vorspannungen anliegen. Daher ist VGS=0 im ohmschen Modus. Die Sperrschicht muss sehr dünn sein und der JFET funktioniert wie ein ohmsches Element, beispielsweise ein Widerstand.
2: Pinch-Off-Modus
Im Abschaltmodus wird eine ausreichende Vorspannung zwischen Gate und Source angelegt. Die angelegte Sperrvorspannung dehnt den Verarmungsbereich auf sein maximales Niveau aus und daher verhält sich der Kanal wie ein offener Schalter, der dem Stromfluss Widerstand leistet.
3: Sättigungsmodus
Die Gate- und Source-Vorspannung steuert den Stromfluss über den Kanal des JFET. Der Strom variiert mit der Änderung der Vorspannung. Die Drain- und Source-Vorspannung hat in diesem Modus einen vernachlässigbaren Einfluss.
4: Pannenmodus
Die Drain- und Source-Vorspannung steigt auf einen Wert, der die Verarmungsschicht im Kanal von JFETs durchbricht. Dies führt zu einem maximalen Stromfluss über den Kanal.
Mathematische Ausdrücke für JFETs-Parameter
Im Sättigungsmodus wechseln die JFETs in den Leitermodus, in dem die Spannung den Strom variiert. Daher kann der Drainstrom ausgewertet werden. Der Ausdruck zur Bewertung des Drain-Stroms ist gegeben durch:
Der Kanal wird durch Anlegen von Gate-Spannungen breiter oder schmaler. Der Widerstand des Kanals in Bezug auf das Anlegen einer Drain-Source-Spannung wird ausgedrückt als:
RDS kann auch über die Transkonduktanzverstärkung gm berechnet werden:
JFET-Konfigurationen
JFETs können auf vielfältige Weise mit den Eingangsspannungen beschaltet werden. Diese Konfigurationen werden als Common-Source-, Common-Gate- und Common-Drain-Konfigurationen bezeichnet.
Gemeinsame Quellkonfiguration
In der Common-Source-Konfiguration ist die Source des JFET geerdet und der Eingang mit dem Gate-Anschluss verbunden, während der Ausgang vom Drain abgenommen wird. Diese Konfiguration bietet Funktionen mit hoher Eingangsimpedanz und Spannungsverstärkung. Diese Verstärkermoduskonfiguration ist die häufigste aller JFET-Konfigurationen. Der erhaltene Ausgang ist gegenüber dem Eingang um 180 Grad phasenverschoben.
Gemeinsame Gate-Konfiguration
Bei einer Common-Gate-Konfiguration ist das Gate geerdet, während der Eingang mit der Source verbunden ist und der Ausgang vom Drain abgenommen wird. Da das Gate mit Masse verbunden ist, hat die Konfiguration eine niedrige Eingangsimpedanz, aber eine höhere Impedanz am Ausgang. Die erhaltene Ausgabe ist in Phase mit der Eingabe:
Gemeinsame Drain-Konfiguration
Bei einem gemeinsamen Drain ist der Eingang mit dem Gate verbunden, während der Ausgang über den Source-Anschluss erfolgt. Diese Konfiguration bietet ebenfalls eine niedrige Eingangsimpedanz und eine höhere Ausgangsimpedanz, genau wie die Common-Gate-Konfiguration, aber die Spannungsverstärkung beträgt hier ungefähr eins.
Diese Konfiguration stimmt auch mit einer gemeinsamen Quelle überein, bei der der Eingang mit dem Gate verbunden ist, die gemeinsame Quellenkonfiguration hat jedoch eine Verstärkung von weniger als eins.
Anwendung – JFETs-Verstärkerkonfiguration
JFETs können als Klasse-A-Verstärker eingesetzt werden, wenn der Gate-Anschluss mit einem Spannungsteilernetzwerk verbunden ist. An den Quellenanschluss wird eine externe Spannung angelegt, die in der folgenden Schaltung meist auf ein Viertel von VDD ausgelegt ist.
Die Quellenspannung kann daher ausgedrückt werden als:
Die Quellenspannung kann auch mit dem folgenden Ausdruck berechnet werden:
Der Drain-Strom kann aus der obigen Konfiguration wie folgt berechnet werden:
Die Gate-Spannung kann wie unten angegeben als Funktion der Werte der Widerstände R1 und R2 ermittelt werden.
Beispiel 1: Berechnung von V DD
Wenn V GS(aus) =-8V, I DSS =24mA für JFET in der folgenden Konfiguration, berechnen Sie V DD wie in der Abbildung gezeigt, wenn R D =400.
Seit
Das Obige soll der Mindestwert von VDS sein, damit JFET im Konstantstrombereich arbeiten kann, daher:
Auch,
Durch Anwenden von KVL auf den Drain-Kreislauf:
Beispiel 2: Bestimmen Sie den Wert des Drain-Stroms
Bestimmen Sie den Wert des Drain-Stroms, wenn VGS = 3 V, VGS (Aus) = -5 V, IDSS = 2 mA für die folgende JFET-Konfiguration.
Der Ausdruck für den Drainstrom lautet:
Abschluss
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sind Halbleiterbauelemente mit drei Anschlüssen, die mit dem Verhalten der Verarmungsbereiche in unterschiedlichen Betriebsmodi arbeiten. Sie haben keine PN-Übergänge, bestehen aber aus Kanälen aus Halbleitermaterialien.