Transitor hiệu ứng trường nối
Transitor hiệu ứng trường nối là các bóng bán dẫn dựa trên chất bán dẫn được điều khiển bằng điện áp. Đây là các bóng bán dẫn một chiều có ba cực; cống, nguồn và cổng. JFET không có các điểm nối PN nhưng chúng bao gồm các kênh vật liệu bán dẫn.
Xây dựng & Phân loại
JFET có một kênh lớn cho dòng hạt mang điện đa số. Kênh này được gọi là chất nền. Chất nền có thể là vật liệu loại P hoặc loại N. Hai tiếp điểm bên ngoài được gọi là tiếp điểm ohmic được đặt ở hai đầu của kênh. JFET được phân loại dựa trên vật liệu bán dẫn của chất nền trong cấu trúc của chúng.
Transitor JFET kênh N
Kênh được làm từ vật liệu tạp chất loại N, trong khi các cổng được làm từ vật liệu tạp chất loại P. Vật liệu loại N có nghĩa là tạp chất hóa trị năm đã được pha tạp và chất mang điện tích đa số là các electron tự do trong kênh. Cấu trúc cơ bản và cách trình bày mang tính biểu tượng của JFET kênh N được trình bày dưới đây:
Transitor JFET kênh P
Kênh bao gồm vật liệu tạp chất loại P trong khi các cổng bao gồm vật liệu tạp chất loại N. Kênh P có nghĩa là tạp chất hóa trị ba đã được pha tạp trong kênh và hạt mang điện đa số là lỗ trống. Cấu trúc cơ bản và cách trình bày mang tính biểu tượng của JFET kênh P được trình bày dưới đây:
Hoạt động của JFET
JFET thường được mô tả tương tự như ống vòi nước. Dòng nước chảy qua các đường ống tương tự như dòng điện tử qua các kênh của JFET. Việc ép ống nước quyết định lượng nước chảy. Tương tự, trong trường hợp của JFET, việc áp dụng điện áp trên các cực cổng sẽ quyết định việc thu hẹp hoặc mở rộng kênh để di chuyển điện tích từ nguồn đến cống.
Khi áp dụng điện áp phân cực ngược trên cổng và nguồn, kênh sẽ thu hẹp trong khi lớp suy giảm tăng lên. Chế độ hoạt động này được gọi là chế độ ngắt. Loại hành vi kênh này được trình bày dưới đây:
Đường cong đặc tính JFET
JFET là thiết bị ở chế độ cạn kiệt, có nghĩa là chúng hoạt động dựa trên việc mở rộng hoặc thu hẹp các lớp cạn kiệt. Để phân tích các chế độ hoạt động hoàn chỉnh, cách sắp xếp xu hướng sau đây được áp dụng trên JFET kênh N.
Hai điện áp phân cực khác nhau được áp dụng tại các cực JFET. VDS được áp dụng giữa cống và nguồn trong khi VGS được áp dụng giữa cổng và nguồn như trong hình trên.
JFET sẽ hoạt động ở bốn chế độ hoạt động khác nhau như được thảo luận dưới đây.
1: Chế độ Ohmic
Chế độ Ohmic là trạng thái bình thường không có bất kỳ điện áp phân cực nào được áp dụng trên các thiết bị đầu cuối của nó. Do đó, VGS=0 ở chế độ ohmic. Lớp suy giảm phải rất mỏng và JFET hoạt động giống như một phần tử trở kháng như điện trở.
2: Chế độ Pinch-Off
Ở chế độ cắt, điện áp phân cực đủ trên cổng và nguồn được áp dụng. Điện áp phân cực ngược được áp dụng sẽ kéo dài vùng cạn kiệt đến mức tối đa và do đó kênh hoạt động giống như một công tắc mở chống lại dòng điện.
3: Chế độ bão hòa
Điện áp phân cực cổng và nguồn điều khiển dòng điện chạy qua kênh của JFET. Dòng điện thay đổi theo sự thay đổi điện áp phân cực. Điện áp phân cực nguồn và cống có ảnh hưởng không đáng kể trong chế độ này.
4: Chế độ phân tích
Điện áp phân cực nguồn và cực máng tăng đến mức phá vỡ lớp suy giảm trong kênh của JFET. Điều này dẫn đến dòng điện tối đa chạy qua kênh.
Biểu thức toán học cho các tham số JFET
Ở chế độ bão hòa, JFET chuyển sang chế độ dây dẫn trong đó điện áp thay đổi dòng điện. Vì vậy, dòng xả có thể được đánh giá. Biểu thức đánh giá dòng xả được cho bởi:
Kênh mở rộng hoặc thu hẹp khi áp dụng điện áp cổng. Điện trở của kênh đối với ứng dụng của điện áp nguồn thoát được biểu thị bằng:
RDS cũng có thể được tính toán thông qua mức tăng độ dẫn điện, gm:
Cấu hình của JFET
JFET có thể được kết nối theo nhiều cách khác nhau với điện áp đầu vào. Các cấu hình này được gọi là cấu hình nguồn chung, cổng chung và cấu hình cống chung.
Cấu hình nguồn chung
Trong cấu hình nguồn thông thường, nguồn của JFET được nối đất và đầu vào được kết nối với cực cổng trong khi đầu ra được lấy từ cống. Cấu hình này cung cấp trở kháng đầu vào cao và chức năng khuếch đại điện áp. Cấu hình chế độ khuếch đại này là cấu hình phổ biến nhất trong tất cả các cấu hình JFET. Đầu ra thu được lệch pha 180 độ với đầu vào.
Cấu hình cổng chung
Trong cấu hình cổng chung, cổng được nối đất trong khi đầu vào được kết nối với nguồn và đầu ra được lấy từ cống. Khi cổng được nối đất, cấu hình có trở kháng đầu vào thấp nhưng trở kháng đầu ra cao hơn. Đầu ra thu được cùng pha với đầu vào:
Cấu hình thoát nước chung
Trong một cống chung, đầu vào được kết nối với cổng trong khi đầu ra được kết nối từ thiết bị đầu cuối nguồn. Cấu hình này cũng cung cấp trở kháng đầu vào thấp và trở kháng đầu ra cao hơn giống như cấu hình cổng thông thường, nhưng mức tăng điện áp ở đây xấp xỉ bằng 1.
Cấu hình này cũng phù hợp với nguồn chung nơi đầu vào được kết nối với cổng, nhưng cấu hình nguồn chung có mức tăng ít hơn sự thống nhất.
Ứng dụng – Cấu hình bộ khuếch đại JFET
JFET có thể được chế tạo để hoạt động như bộ khuếch đại Loại A khi cực cổng được kết nối với mạng phân chia điện áp. Một điện áp bên ngoài được đặt trên thiết bị đầu cuối nguồn, hầu hết được cấu hình bằng 1/4 VDD trong mạch bên dưới.
Do đó, điện áp nguồn có thể được biểu thị dưới dạng:
Ngoài ra, điện áp nguồn có thể được tính toán thông qua biểu thức dưới đây:
Dòng xả có thể được tính từ cấu hình trên như sau:
Điện áp cổng có thể được lấy dưới dạng hàm của các giá trị của điện trở R1 & R2 như được cung cấp dưới đây.
Ví dụ 1: Tính V ĐĐ
Nếu V GS(tắt) =-8V, tôi DSS =24mA cho JFET trong cấu hình bên dưới, tính V ĐĐ như thể hiện trong hình khi R D =400.
Từ
Trên đây phải là giá trị tối thiểu của VDS để JFET hoạt động trong vùng dòng điện không đổi, do đó:
Cũng,
Bằng cách áp dụng KVL ở mạch thoát nước:
Ví dụ 2: Xác định giá trị dòng xả
Xác định giá trị dòng xả khi VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA cho cấu hình JFET dưới đây.
Biểu thức của dòng điện thoát là:
Phần kết luận
Transitor hiệu ứng trường nối là ba thiết bị bán dẫn đầu cuối hoạt động với hoạt động của các vùng cạn kiệt trong các chế độ hoạt động khác nhau. Chúng không có các điểm nối PN nhưng được làm từ các kênh vật liệu bán dẫn.