ترانزیستور پیوندی اثر میدان 

ترانزیستور JFET

در این گفتار به بررسی یکی دیگر از عناصر الکترونیکی به نام ترانزیستور اثر میدان FET (Field Effect Transistor) می‌پردازیم. در این ترانزیستور مبنای کار بر کنترل جریان الکتریکی توسط یک میدان الکتریکی است. اصولا در FET تنها یک نوع حامل بار الکتریکی (الکترون آزاد یا حفره) در ایجاد جریان دخالت دارند (در ترانزیستورهای دوقطبی نه تنها حامل‌های اکثریت بلکه حامل‌های اقلیت نیز در جریان نقش دارند).

از این رو FET را یک ترانزیستور یک قطبی نیز می‌نامند. در ترانزیستور اثرِ میدان (FET) چنان‌که از نامش پیداست، پایه کنترلی، جریانی مصرف نمی‌کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه رسانا، جریان عبوری از FET کنترل می‌شود. از همین روی ورودی این مدار هیچ اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی‌گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان (JFET)

به طور کلی ترانزیستورهای اثر میدان دو نوع هستند؛ نوع اول FET پیوندی یا JFET (Junction FET) نوع دوم MOSFET که به اختصار MOS نامیده می‌شود. عمده تفاوت ماسفت با ترانزیستور JFET در این است که گیت ترانزیستورهای ماسفت توسط لایه‌ای از اکسید سیلیسیم (SiO₂) از کانال مجزا شده‌است. به این دلیل به ماسفتها فِت با گیت مجزا  IGFET= Insulated Gate FET نیز گفته می‌شود.

ترانزیستورهای معمولی به دلیل ساختار فیزیکی خاصی که دارند ترانزیستورهای دوپیوندی یا  BJT نامیده می‌شوند و عناصری هستند که جریان را کنترل می‌کنند به زبانی دیگر جریان بیس ترانزیستور جریان کلکتور را کنترل می‌کند. البته در BJT تغییر ولتاژ بیس امیتر نیز می‌تواند جریان بیس را تغییر داده و سرانجام جریان کلکتور کنترل شود.

برای برقراری جریان در اتصال کلکتور، باید جریان بیس به اندازه‌ای باشد که بتواند به طور کامل بر پتانسیل سد پیوند بیس امیتر غلبه کند و آن را بشکند. وجود جریان ورودی زیاد در ترانزیستورBJTباعث میشود که مقاومت ورودی ترانزیستورهای دوپیوندی نسبتا کم باشد به طوری که مقاومت ورودی حتی در آرایش کلکتور مشترک، از چند صدهزار اهم تجاوز نکند.

بنابراین هنگامی که می‌خواهیم سیگنال منبعی با مقاومت داخلی بسیار زیاد (مثلا حدود چند مگا اهم) را تقویت کنیم نمی‌توانیم ترانزیستور BJT را در طبقه اول تقویت‌کننده به کار ببریم زیرا مقاومت ورودی کم آن باعث بارگذاری می‌شود. همچنین هنگام اتصال در دستگاه‌های اندازه‌گیری مانند ولتمتر و اسیلوسکوپ به مدار، نباید از مدار مورد اندازه‌گیری جریان زیادی گرفته شود.

لازم است این دستگاه‌ها مقاومت ورودی زیادی داشته باشند. بنابراین ترانزیستورهای BJT در اینگونه مدارها، کارآیی لازم را ندارند. ساختمان داخلی ترانزیستورهای اثر میدان در مقایسه با ترانزیستورهای، BJT ساده تر است و مقاومت ورودی بسیار زیاد در حدود ١٠MΩ تا ١٠٠٠MΩدارند.

ترانزیستورهای اثر میدان با ولتاژ کنترل می‌شوند و در ساختمان داخلی آنها فقط دو نوع نیمه هادی به کار می‌رود، به همیـن علت این تـرانزیستورها (یا یک قطبیunijunction Transistor) «را »تک پیـونـدی می‌گویند. ترانزیستورهای اثر میدان را در دو نوع متفاوت به شرح زیر می‌سازند.

الف) استفاده از روش نفوذی یعنی نفوذ دادن کریستال نوع N در P یا برعکس، این نوع ترانزیستورها را JFET می‌نامند.

ب) استفاده از خاصیت خازنی لایه‌ها، این نوع ترانزیستورها را MOSFET می‌نامند. MOS از کلمات فلزی، Semiconductor Metal Oxide گرفته شده است.

تاریخچه ترانزیستور پیوندی اثر میدان

JFET توسط Julius Lilienfed در سال ۱۹۲۵ پیش‌بینی شد و در اواسط سال ۱۹۳۰ تئوری عملکرد آن به اندازهٔ کافی به خوبی شناخته شد تا بتواند حق امتیاز آن را تصدیق کند. با این حال، برای چندین سال ایجاد کریستال‌های آلائیده شده با حرارت کافی برای نشان دادن این اثر امکان‌پذیر نبود.

در سال ۱۹۴۷، پژوهشگران جان باردین، والتر هاوسر براتین و ویلیام شاکلی زمانی که ترانزیستور نقطه تماسی را کشف کرده بودند، برای ساخت اولین JFET تلاش می‌کردند. اولین نسل JFET های عملی برخلاف انتظار آن‌ها سال‌ها بعد از ترانزیستورهای پیوندی ساخته شد. JFET تا حدودی می‌تواند به عنوان ترکیبی از یک MOSFET و BJT رفتار کند. اگرچه ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده شباهت بیشتری به ویژگی‌های هیبرید دارد.

ترانزیستور پیوندی اثر میدان یا جِی‌فِت

junction gate field-effect transistor یا (JUGFET یا JFET) به گونه‌ای از ترانزیستورهای اثر میدان گفته می‌شود که از یک کانال عبور و یک گیت تشکیل شده‌اند. دو پایه درین (Drain) و سورس (Source) با اتصال اهمی به دو طرف کانال متصل هستند و پایه گیت اتصال یکسوساز دارد. بسته به اینکه کانال از جنس نیمه‌هادی نوع N  باشد یا نیمه‌هادی نوع P، به جی‌فت حاصل ان‌جی‌فت یا پی‌جی‌فت گفته می‌شود. در جی‌فت جریان الکتریکی عبوری از کانالِ بین سرهای سورس و درین، با اعمال ولتاژ به سر گیت کنترل می‌شود.

در جی‌فت‌ها جریان بین سرهای سورس و درین با کنترل مقاومت ناحیه کانال مهار می‌شود. برای تغییر مقاومت ناحیه کانال، عرض ناحیه تهی (بدون حامل الکتریکی) را با اعمال بایاس معکوس بین پیوند گیت و کانال تغییر می‌دهند.

جی‌فت ساده‌ترین نوع ترانزیستور اثر میدان است. می‌توان آن را به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی تحت کنترل یا به عنوان یک مقاومت کنترل شده به وسیله ولتاژ استفاده کرد. بار الکتریکی از طریق یک کانال نیمه هادی بین ترمینال‌های “source” و “drain” جریان می‌یابد. با اعمال کردن یک ولتاژ بایاس معکوس به ترمینال “gate”، این کانال “pinched” (فشرده) می‌شود. به طوری که جریان الکتریکی کاهش یافته یا به‌طور کامل قطع می‌شود.

ساختار FET ترانزیستور پیوندی اثر میدان

ترانزیستورهای اثر میدانی نیز می‌توانند به صورت منبع جریان کنترل شده با ولتاژ رفتار کنند، ولی مشخصه‌ آنها با مشخصه ترانزیستور دوقطبی فرق دارد. فت دارای سه‌ پایه با نام‌های درین D، سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌کند.

فت‌ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می‌کند. FETها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند. نوع دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی MOSFETها هستند (ترانزیستور اثرمیدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز) یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت‌ها نویز کمتر آن‌ها در مدار است.

شکل زیر ساختار یک JFET را نشان می‌دهد. همانطور که ملاحظه می‌شود دو قطعه بلور P یک لایه نوع N را در میان گرفته است. لایه N در حقیقت یک کانال عبور الکترون از سر سورس Source‌ به طرف درین Drain است. جریان در این کانال توسط میدان الکتریکی که از طریق سرهای گیت Gate اعمال می‌شود کنترل‌پذیر است.

این JFET دارای کانال نوع N بوده و NJFET نام دارد. در ساختمان واقعی NJFET یک سر گیت بیشتر وجود ندارد و قسمت‌های کانال و گیت بر روی یک قسمت پایه از نوع P به وجود آمده‌اند. در نوع PJFET، کانال از نوع P، قسمت‌های گیت آن از نوع N می‌باشد. علامت مداری JFETهای کانال N و P در شکل زیر مشخص است در بعضی از مراجع سر پیکان‌دار مربوط به گیت در وسط ناحیه بین درین و سورس رسم می‌شود.

ساختمانJFET  با کانال N

یک  میله سیلیسیمی را که کمی ناخالصی نوع n به آن افزوده شده باشد، درنظر بگیرید. این میله درست مانند یک مقاومت عمل می‌کند که مقدار آن به میزان ناخالصی افزوده شده، سطح مقطع و طول میله بستگی دارد. اگر یک باتری، به دوسر این میله وصل کنیم، جریانی متناسب با ولتاژ دوسر باتری از آن عبور می‌کند. یک انتهای میله را که الکترون‌ها از آن خارج میشوند دریچه یا درین و انتهای دیگر میله را، که الکترون‌ها به آن وارد می‌شوند منبع یا سورس نامگذاری می‌کنیم .

این میله نیمه هادی، باتوجه به میزان ناخالصی، سطح مقطع و طول مشخص، در شرایط عادی مانند یک مقاومت ثابت عمل می‌کند یعنی با دادن یک ولتاژ ثابت، جریان ثابتی از آن می‌گذرد. اگر مقاومت این میله تغییر کند، میزان جریانی که در برابر یک ولتاژ ثابت از آن عبور می‌کند نیز تغییر خواهد کرد.

تغییر مقدار مقاومت میله با تغییر طول، سطح مقطع و میزان ناخالصی آن امکان‌پذیر است. از این سه متغیر، تنها سطح مقطع مؤثر میله را می‌توان با استفاده از روش الکتریکی به کنترل درآورد. اگر در قسمتی از این میله یک فلز سه ظرفیتی مانند ایندیم را به گونه‌ای نفوذ دهیم که یک  ناحیه نوع p با غلظتی بیش از ناحیه n تشکیل شود، یک پیوند pn به‌وجود می‌آید.

در این حالت ناحیه n را کانال و نیمه هادی نوع p را دروازه یا گیت  می‌نامند. با اتصال دو سیم به دو طرف لایه N و یک سیم به  لایه P یک عنصر سه پایه حاصل می‌شود که به ترانزیستور با اثر میدان پیوندی معروف است. ساختمان JFET با کانال P شبیه JFET با کانال N است، با این تفاوت که جنس کانال از نوع کریستال P و جنس گیت از نوع کریستال  N است.

فت‌ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر، نخست پایه گیت را پیدا می‌کنیم. یعنی پایه‌ای که نسبت به دوپایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی‌نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.

عملکرد JFET در ترانزیستور پیوندی اثر میدان

اساس کار JFET بر مبنای کنترل جریان حامل‌های الکتریکی بین سورس و درین از طریق تغییر مقاومت ناحیه کانال است. افزایش مقاومت ناحیه کانال از ازدیاد عرض ناحیه تهی ایجاد شده توسط بایاس معکوس پیوند گیت و کانال صورت می‌گیرد. برای درک مطلب عملکرد JFET شبیه شلنگ باغ است. جریان آبی که از شلنگ عبور می‌کند را می‌توان با فشردن آن کنترل کرد تا سطح مقطع آن را کاهش داد. جریان بار الکتریکی در یک JFET  با محدود کردن کانال جریان انتقالی کنترل می‌شود. جریان همچنین به میدان الکتریکی بین سورس و درین بستگی دارد (شبیه به تفاوت در فشار بر هر انتهای شلنگ).

نواحی کار روی منحنی مشخصه ترانزیستور پیوندی اثر میدان

در روی منحنی مشخصه ترانزیستور ،JFET مشابه منحنی مشخصه ترانزیستور BJT نواحی کار متفاوتی وجود دارد که در ادامه به آن میپردازیم.

ناحیه قطع channel off

ناحیه قطع، پس از رسیدن VGS به ولتاژ آستانه،  VGSoff شروع می‌شود. در این ناحیه، در اثر ولتاژ مخالف گیت سورس ناحیه سد گسترش می‌یابد و  ناحیه سد سرتاسر کانال را فرامی گیرد. در این حالت هیچ جریانی از درین نمی‌گذرد و ترانزیستور به صورت یک کلید قطع عمل می‌کند. همچنین تا زمانی که مقدار VGS کمتر از ولتاژ شکست معکوس پیوند گیت سورس است تأثیری بر  FET ندارد. در شکل زیر این ناحیه در زیر خط  VGS < Vvp واقع شده است.

ناحیه خطی یا اهمی Linear or Ohmic Region

ناحیه اهمی، بخشی از منحنی مشخصه  JFET است که در آن قانون اهم صدق میکند. در این ناحیه ترانزیستور مانند یک مقاومت اهمی تابع ولتاژ عمل می‌کند که مقدار آن با ولتاژ گیت سورس کنترل می‌شود. در شکل زیر ناحیه اهمی روی منحنی مشخصه نشان داده شده است. بخشی از منحنی به صورت خمیده و غیرخطی است ولی در مقادیر کم ID و VDS حدود چند دهم ولت منحنی کاملا خطی است.

ناحیه اشباع saturation region

ناحیه‌ای از منحنی  مشخصه  JFET که در آن VDS ≥ VP  باشد را ناحیه اشباع یا فعال می‌نامند. در این ناحیه تغییرات VDS اثر محسوسی در جریان ID ندارد و  IDتقریبا ثابت است. شکل زیر ناحیه اشباع را روی منحنی مشخصه JFET نشان می‌دهد.

در صورتی که قصد خرید ترانزیستور را دارید با کلیلک روی لینک قیمت ترانزیستور وارد دسته بندی فروشگاهی آن شوید.