ترانزیستور اثر میدانی پیوندی 

ترانزیستور اثر میدانی پیوندی یا JFET یک قطعه نیمه رسانا تک قطبی سه ترمینال کنترل شده ولتاژ است که در حالت های N کانال و Pکانال موجود است.

ترانزیستور اثرمیدانی

در آموزشهای ترانزیستور پیوندی دوقطبی، دیدیم که جریان کلکتور ترانزیستور با جریان ورودی جاری درون ترمینال بیس دستگاه متناسب است، بنابراین ترانزیستور دو قطبی را به عنوان یک قطعه عمل کننده بر مبنای  “جریان” (مدل بتا) تبدیل می کند بطوریکه جریان کوچکتر می تواند برای سوئیچ به جریان بار بزرگتر بکار رود.

ترانزیستور اثر میدانی یا بسادگی FET اگرچه ولتاژ اعمال شده به ترمینال ورودی خود که گیت نامیده می شود را برای کنترل جریان جاری درون خود بکار می برد که منجر به جریان خروجی متناسب با ولتاژ ورودی می شود. از آنجا که عملکرد آنها بر میدان الکتریکی ( از این رو نام آنها اثر میدانی است) تولید شده توسط ولتاژ گیت ورودی متکی است این بعد ترانزیسور اثر میدانی را یک قطعه عمل کننده بر حسب ” ولتاژ” می کند.

ترانزیستور اثر میدانی یک قطعه نیمه رسانا تک قطبی سه ترمیناله است که دارای ویژگی های بسیار شبیه به همتای ترانزیسور دو قطبی خود است برای مثال، بازدهی بالا، عملکرد لحظه ای، مقاوم بودن و ارزان بودن و توانایی استفاده در بیشتر کاربردهای مدار الکترونیکی برای جایگزینی با همتای ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی معادل خود است.

ترانزیستورهای اثر میدانی می توانند بسیار کوچکتر از ترانزیستور BJT معادل ساخته شوند و در کنار مصرف کم توان و اتلاف توان آنها را برای استفاده در مدارهای مجتمع مانند رنج CMOS تراشه های منطقی دیجیتال ایده آل می کند.

از آموزش های قبلی به یاد داریم که دو نوع اساسی برای ساخت ترانزیستور دو قطبی وجود دارد، NPN و PNP ، که اساساً آرایش فیزیکی مواد نیمه هادی نوع P و نوع N را که از آنها ساخته شده است، توصیف می کند. این در مورد FET نیز صدق می کند زیرا همچنین دو طبقه بندی اصلی ترانزیستور اثر میدانی  وجود دارد که N-channel FET و P-channel FET نامیده می شوند.

ترانزیستور اثر میدانی یک قطعه سه ترمینال است که بدون پیوندهای PN در مسیر اصلی انتقال جریان بین ترمینال های تخلیه و منبع ساخته شده است. عملکرد این ترمینال ها به ترتیب با کلکتور و امیتر ترانزیستور دو قطبی مطابقت دارد. مسیر جریان بین این دو ترمینال “کانال” نامیده می شود که ممکن است از مواد نیمه هادی نوع P یا نوع N ساخته شود.

کنترل جریان جاری در این کانال با تغییر ولتاژ اعمال شده به گیت حاصل می شود. همانطور که از نام آنها پیداست، ترانزیستورهای دو قطبی قطعات “دو قطبی” هستند زیرا با هر دو نوع حامل بار، حفره ها و الکترون ها کار می کنند. از سوی دیگر ترانزیستور اثر میدانی یک قطعه “تک قطبی” است که فقط به هدایت الکترون ها (کانال N) یا حفره ها (کانال P) بستگی دارد.

ترانزیستور اثر میدانی یک مزیت عمده نسبت به همتاهای ترانزیستور دو قطبی استاندارد دارد، از این نظر که امپدانس ورودی آنها (Rin) بسیار زیاد است (هزاران اهم) ، در حالی برای که BJT نسبتاً پایین است. این امپدانس ورودی بسیار بالا، آنها را نسبت به سیگنال های ولتاژ ورودی بسیار حساس می کند، اما هزینه 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 میدانی پیوندی یا JFET و ترانزیستور اثر میدان گیت عایق شده یا (IGFET) ، که بیشتر به عنوان ترانزیستور اثر میدان نیمه رسانا اکسید فلز یا استاندارد یا به اختصار MOSFET شناخته می شود.

ترانزیستور اثر میدانی پیوندی

قبلاً دیدیم که یک ترانزیستور پیوند دو قطبی با استفاده از دو پیوند PN در مسیر اصلی انتقال جریان بین پایانه های امیتر و کلکتور ساخته شده است. ترانزیستور اثر میدانی پیوندی (JUGFET یا JFET) فاقد پیوندهای PN است اما در عوض دارای یک قطعه باریک از ماده نیمه رسانا با مقاومت بالا است که یک “کانال” از سیلیکون نوع N یا P را ایجاد می کند تا حامل های اکثریت با دو اتصالات الکتریکی اهمی در هر دو انتها که به ترتیب Drain ( تخلیه) و Source ( منبع) نامیده می شوند، عبور کنند.

دو نوع اساسی از ترانزیستور اثر میدانی پیوندی وجود دارد، JFET N کاناله و JFET P کاناله. JFET های N کاناله با ناخالصی دهنده ها دوپ شده اند که بدان معنی است که شارش جریان درون کانال منفی به شکل الکترون (از این رو اصطلاح N کانال) است.

به همین ترتیب، کانال P کانال JFET با ناخالصی های گیرنده دوپ شده است، به این معنی که شارش جریان درون کانال به صورت حفره ها مثبت است (از این رو اصطلاح کانال P کانال). JFET های N کاناله رسانایی کانال بیشتری (مقاومت کم) نسبت به نوع P کانال معادل خود دارد، زیرا الکترون ها درون یک هادی در مقایسه با حفره ها تحرک بیشتری دارند. این باعث می شود N- JFET کانال رسانای کارآمدتری در مقایسه با نوع P کانال آنها باشد.

قبلاً گفتیم که در دو انتهای کانال دو اتصال الکتریکی اهمی وجود دارد که تخلیه و منبع نامیده می شوند. اما در این کانال یک اتصال الکتریکی سوم وجود دارد که ترمینال گیت نامیده می شود و این همچنین می تواند یک ماده از نوع P یا N باشد که یک پیوند PN با کانال اصلی را تشکیل می دهد.

رابطه بین اتصالات یک ترانزیستور اثر میدانی پیوندی و یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی در زیر مقایسه شده است.

مقایسه اتصالات بین یک JFET و یک BJT

نماد و ساختار پایه برای هر دو پیکربندی JFET ها در زیر نشان داده شده است.

“کانال” نیمه هادی ترانزیستور اثر میدانی پیوندی یک مسیر مقاومتی است که از طریق آن ولتاژ V_DS باعث جریان یافتن جریان I_D می شود و به همین ترتیب ترانزیستور اثر میدانی پیوندی می تواند جریان را به همان اندازه در هر دو جهت هدایت کند. از آنجا که کانال از نظر ماهیت مقاومتی است، 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 پیوند PN دارای بایاس معکوس بالا در ترمینال تخلیه و بایاس معکوس پایین تر در ترمینال منبع است. این بایاس باعث می شود که یک “لایه تخلیه” درون کانال ایجاد شود و عرض آن با بایاس افزایش یابد.

مقدار جریان جاری شده در کانال بین پایانه های تخلیه و منبع توسط ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت کنترل می شود، که یک بایاس معکوس است. در یک JFET N کانال این ولتاژ گیت منفی است در حالی که برای JFET P کانال ولتاژ گیت مثبت است.

تفاوت اصلی بین یک قطعه  JFET  و BJT این است که وقتی پیوند JFET بایاس معکوس شده است، جریان گیت عملاً صفر است، در حالی که جریان بیس BJT همیشه مقداری بزرگتر از صفر است.

بایاس’N ‘JFET کاناله

نمودار مقطعی فوق یک کانال نیمه هادی نوع N با یک منطقه نوع P به نام گیت که به کانال N نوع پخش شده و یک پیوند PN بایاس معکوس را تشکیل می دهد  تشکیل می دهد. بنابراین JFET ها به عنوان قطعات حالت تخلیه( تهی) شناخته می شوند.

این منطقه تخلیه یک شیب بالقوه تولید می کند که دارای ضخامت مختلفی در اطراف محل پیوند PN است و جریان جاری درون کانال را با کاهش عرض موثر آن و در نتیجه افزایش مقاومت کلی کانال، محدود می کند.

سپس می توان دید که بیشترین قسمت تخلیه شده در منطقه بین گیت و تخلیه قرار دارد، در حالی که کمترین منطقه بین گیت و منبع است. سپس کانال JFET با ولتاژ بایاس صفر اعمال شده هدایت می کند (یعنی منطقه تخلیه تقریباً دارای عرض صفر است).

بدون وجود ولتاژ گیت خارجی (V_G = 0) ، و ولتاژ کوچک (V_DS)  اعمال شده بین تخلیه و منبع، حداکثر جریان اشباع (I_DSS) درون کانال از تخلیه به منبع که تنها توسط منطقه تخلیه کوچک اطراف پیوند محدود شده است جاری خواهد شد.

اگر ولتاژ منفی کوچک (V_GS-) اکنون به گیت اعمال شود، اندازه منطقه تخلیه شروع به افزایش می کند تا سطح کلی موثر کانال را کاهش دهد و در نتیجه جریان جاری درون آن کاهش می دهد،

که نوعی اثر “فشردن” اتفاق می افتد. بنابراین با استفاده از ولتاژ بایاس معکوس، عرض ناحیه تخلیه افزایش می یابد که به نوبه خود هدایت کانال را کاهش می دهد.

از آنجا که پیوند PN بایاس معکوس است، جریان کمی به اتصال گیت جاری خواهد شد. همانطور که ولتاژ دروازه (V_GS-) منفی تر می شود، عرض کانال کاهش می یابد تا جایی که دیگر هیچ شارش جریانی بین تخلیه و منبع وجود نداشته باشد و گفته شود FET “فشرده” شده است (شبیه به منطقه قطع برای یک BJT). ولتاژی که  در آن کانال بسته می شود “ولتاژ فشردن” ، (V_P) نامیده می شود.

فشرده شدن JFET کانال

در این ناحیه فشرده ولتاژ گیت V_GS جریان کانال را کنترل می کند و V_DS  داری تاثیر کم یا بدون تاثیر است.

نتیجه این است که FET بیشتر شبیه یک مقاومت کنترل شده ولتاژ است که دارای مقاومت صفر در هنگامی V_GS = 0 و حداکثر مقاومت ” روشن ” (R_DS)  است هنگامیکه ولتاژ گیت بسیار منفی است. تحت شرایط عملیاتی عادی، گیت JFET نسبت به منبع همیشه بصورت منفی بایاس شده است.

ضروری است که ولتاژ گیت هرگز مثبت نباشد زیرا اگر تمام جریان کانال درون گیت و نه در منبع جاری شود، نتیجه آسیب رسیدن به JFET است.

سپس برای بستن کانال:

• بدون ولتاژ گیت (V_GS) و V_DS از صفر افزایش یابد
• بدون V_DS و کنترل گیت بصورت منفی از صفر کاهش می یابد.
• V_DS و V_GS تغییر می کنند.

ترانزیستور اثر میدانی پیوندی P کانال دقیقاً مشابه با N کانال فوق عمل با استثنائات زیر عمل می کند: 1) جریان کانال به دلیل حفره ها مثبت است ،و2)  قطبیت ولتاژ بایاس باید معکوس شود.

ویژگی های خروجی یک JFET  N کاناله با مدار اتصال کوتاه گیت به منبع بصورت زیر ارائه شده است:

ویژگی های خروجی منحنی های V-I یک پیوند FET نوعی

ولتاژ V_GS اعمال شده به گیت، جریان جاری در ترمینال های تخلیه و منبع را کنترل می کند. V_GS به ولتاژ اعمال شده بین گیت و منبع در حالی که V_DS به ولتاژ اعمال شده بین تخلیه و منبع اشاره دارد.

از آنجا که ترانزیستور اثر میدانی پیوندی یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است، “هیچ جریانی درون گیت جاری نمی شود!” سپس جریان منبع (I_S) خروجی از قطعه با جریان تخلیه جاری در آن و بنابراین (I_D = I_S) معادل است.

مثال منحنی ویژگی ها نشان داده شده در بالا، چهار منطقه مختلف عملکرد را برای JFET نشان می دهد و اینها به شرح زیر است:

منطقه اهمیک – هنگامی که V_GS = 0 باشد، لایه تخلیه کانال بسیار کوچک است و JFET مانند یک مقاومت کنترل شده توسط ولتاژ عمل می کند.

منطقه قطع – این منطقه تحت عنوان ولتاژ گیت نیز شناخته می شود، V_GS برای اینکه باعث شود JFET به عنوان یک مدار باز عمل کند کافی است زیرا مقاومت کانال در حداکثر است.

اشباع یا منطقه فعال – JFET یک هادی خوب می شود و توسط ولتاژ منبع گیت، (V_GS) کنترل می شود در حالی که ولتاژ منبع تخلیه، (V_DS) تأثیر کمی دارد یا هیچ تأثیری ندارد.

ناحیه شکست – ولتاژ بین تخلیه و منبع (V _DS) به اندازه کافی زیاد است که باعث می شود کانال مقاومتی JFET خراب شود و جریان حداکثر کنترل نشده را عبور دهد.

منحنی های مشخصه برای ترانزیستور اثر میدان پیوندی P کانال همان موارد فوق است، با این تفاوت که I_D جریان تخلیه با افزایش ولتاژ منبع گیت مثبت ، V_GS کاهش می یابد.

جریان تخلیه وقتی V_GS = V_P است صفر است. برای عملکرد نرمال، V_GS در جایی بین V_P و 0 بایاس شده است. سپس می توان جریان تخلیه ، I_D را برای هر نقطه بایاس داده شده در اشباع یا منطقه فعال را مانند زیر محاسبه کرد:

جریان تخلیه در ناحیه فعال

توجه داشته باشید که مقدار جریان تخلیه بین صفر (فشرده) و_DSS I (حداکثر جریان) خواهد بود. با دانستن جریان تخلیه I_D و ولتاژ منبع- تخلیه V_DS مقاومت کانال (R_DS) به این صورت است:

مقاومت کانال منبع-جریان

بطوریکه gm ” بهره رسانایی” است زیرا JFET یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است و نرخ تغییر جریان تخلیه با توجه به تغییر در ولتاژ منبع-گیت را نشان می دهد.

حالات FET ها

مانند ترانزیستور پیوند دوقطبی، ترانزیستور اثر میدانی که یک قطعه سه ترمیناله است، قادر به سه حالت عملکرد مجزا است و بنابراین می تواند در یک مدار در یکی از حالات زیر متصل شود.

پیکربندی منبع مشترک (CS)

در پیکربندی منبع مشترک (شبیه به امیتر مشترک) ، ورودی به گیت اعمال می شود و خروجی آن همانطور که نشان داده شده از تخلیه گرفته می شود. این متداول ترین حالت عملکرد FET به دلیل امپدانس ورودی بالا و تقویت ولتاژ خوب است و به همین ترتیب ازتقویت کننده های منبع متداول بصورت گسترده استفاده می شود.

حالت منبع مشترک اتصال FET عموماً از تقویت کننده های فرکانس صوتی و در پیش تقویت کننده های امپدانس ورودی بالا و مراحل استفاده می شود. به عنوان یک مدار تقویت کننده، سیگنال خروجی با ورودی 180 “خارج از فاز” است.

پیکربندی گیت مشترک (CG)

در پیکربندی گیت مشترک (مشابه بیس مشترک) ، ورودی به منبع اعمال می شود و خروجی آن از تخلیه گرفته می شود و گیت مستقیماً به زمین متصل است (0v) همانطور که نشان داده شده است. ویژگی امپدانس ورودی بالا اتصال قبلی در این ترکیب از بین می رود زیرا گیت مشترک دارای یک امپدانس ورودی کم، اما یک امپدانس خروجی بالا است.

از این نوع ترکیب FET در مدارهای با فرکانس بالا یا در مدارهای تطبیق امپدانس جایی که امپدانس ورودی کم باید با یک امپدانس خروجی بالا مطابقت داشته باشد، می توان استفاده کرد. خروجی با ورودی “هم فاز” است.

پیکربندی تخلیه مشترک (CD)

در پیکربندی تخلیه مشترک (مشابه کلکتور مشترک) ورودی به گیت اعمال می شود و خروجی آن از منبع گرفته می شود. حالت تخلیه مشترک یا “دنبال کننده منبع” دارای یک امپدانس ورودی بالا و یک امپدانس خروجی کم و بهره ولتاژ نزدیک به یک است بنابراین در قطعات  تقویت کننده های بافر استفاده می شود. بهره ولتاژ پیکربندی دنبال کننده منبع کمتر از واحد است و سیگنال خروجی “هم فاز”0 با سیگنال ورودی است.

از این نوع پیکربندی به عنوان “تخلیه مشترک” یاد می شود زیرا هیچ سیگنالی در اتصال تخلیه در دسترس نیست، ولتاژ موجود ،  V_DD+ فقط یک بایاس مهیا می کند. خروجی با ورودی هم فاز است.

تقویت کننده JFET

درست مانند ترانزیستور پیوند دو قطبی، از JFET می توان برای ساخت مدارهای تقویت کننده کلاس A تک مرحله ای با تقویت کننده منبع مشترک JFET استفاده کرد و مشخصات آن بسیار شبیه به مدار امیتر مشترک BJT است. اصلی ترین مزیت تقویت کننده های 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 با R1 و R2 همانطور که نشان داده شده  کنترل می شود.

بایاس تقویت کننده JFET

این مدار تقویت کننده منبع مشترک (CS) در حالت کلاس “A” توسط شبکه تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومتهای R1 و R2 بایاس شده است. ولتاژ دو سر مقاومت منبع RS به طور کلی بصورت  حدود یک چهارم VDD تنظیم میشود، (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 جریان گیت صفر است، (IG = 0) می توانیم ولتاژ ساکن DC مورد نیاز را با انتخاب مناسب مقاومتهای R1 و R2 تنظیم کنیم.

کنترل جریان تخلیه توسط پتانسیل گیت منفی باعث می شود ترانزیستور اثر میدانی پیوندی به عنوان یک سوئیچ مفید واقع شود و ضروری است که ولتاژ گیت هرگز برای یک JFET N کانال مثبت نباشد زیرا جریان کانال به گیت و نه در تخلیه جاری خواهد شد و در نتیجه منجر به صدمه به   JFET می شود. اصول اصلی کار برای JFET P کانال 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 اثر میدانی به نام MOSFET را بررسی خواهیم کرد که اتصال گیت آن کاملاً از کانال اصلی انتقال جریان جدا شده است.