Το εξάρτημα: τρανζίστορ εγκάρσιου πεδιου επαφής JFET

Δομή  JFET

Το τρανζίστορ εγκάρσιου πεδίου επαφής, γνωστό και ως JFET, είναι ένα μονοπολικό τρανζίστορ. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι βασίζει τη λειτουργία του σε ένα μόνο είδος φορέων, δηλαδή σε ηλεκτρόνια ή οπές, σε αντίθεση με το κοινό τρανζίστορ που ονομάζεται και διπολικό και η λειτουργία του βασίζεται και στα δυο αυτά είδη φορέων.

Η αρχή κατασκευής ενός JFET βασίζεται στην επιλογή ενός τμήματος ημιαγωγού, π.χ. τύπου–Ν, στο οποίο προστίθενται στις δυο πλευρές του, περιοχές τύπου–Ρ. Η συγκέντρωση των προσμίξεων στις περιοχές τύπου-Ρ είναι πολύ ψηλότερες από αυτή του καναλιού. Κάθε μια από τις περιοχές τύπου–Ρ καλείται πύλη. Τα δυο άκρα του τμήματος τύπου–Ν ονομάζονται πηγή και απαγωγός, ενώ το τμήμα του ημιαγωγού τύπου–Ν το οποίο βρίσκεται μέσα στις περιοχές τύπου-Ρ ονομάζεται κανάλι ή δίαυλος. Ανάλογα με τον τύπο του ημιαγωγού του καναλιού ορίζεται και ο τύπος του JFET. Έτσι υπάρχουν JFET n-καναλιού ή p-καναλιού (n-channel ή p-channel). Το JFET έχει μια μόνο πύλη, για το λόγο ότι ενώνονται εξωτερικά οι δύο περιοχές τύπου-Ρ.

Το κυκλωματικό σύμβολο ενός JFET παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Για μνημονικό βοήθημα πρέπει να θεωρηθεί ότι η λεπτή κατακόρυφη γραμμή αντιστοιχεί στο κανάλι. Η πηγή και ο απαγωγός συνδέονται με αυτή τη γραμμή. Επιπλέον, το βέλος της πύλης δείχνει προς τον ημιαγωγό τύπου-Ν, όπως στην κοινή δίοδο. Έτσι, αν το βέλος δείχνει προς το κανάλι το JFET είναι n-καναλιού ενώ αν έχει αντίθετη κατεύθυνση είναι p-καναλιού.

Αρχή λειτουργίας

Η λειτουργία ενός JFET βασίζεται στην επαφή πύλης-καναλιού, η οποία στο εξής θα ονομάζεται επαφή ή δίοδος πύλης για λόγους απλότητας. Η περιοχή φορτίου χώρου (απογυμνωμένη περιοχή) της επαφής έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της διατομής του καναλιού και συνεπώς τη μεταβολή της αντίστασης του. Έτσι μεταβάλλοντας την πόλωση της διόδου πύλης, μεταβάλλεται το εύρος της περιοχής φορτίου χώρου της επαφής και συνεπώς η αντίσταση του καναλιού, άρα ελέγχεται το ρεύμα το οποίο διαρρέει το JFET. Ο όρος επίδραση πεδίου σχετίζεται με την περιοχή φορτίου χώρου που δημιουργείται στην επαφή πύλης.

Τυπικό κύκλωμα πόλωσης ενός JFET καναλιού τύπου-Ν παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήμα. Στο κύκλωμα χρησιμοποιούνται δύο πηγές τάσεως. Η πρώτη συνδέεται μεταξύ απαγωγού και πηγής η V_DD και παρέχει την τάση απαγωγού V_DS. Η δεύτερη συνδέεται μεταξύ πύλης και πηγής η V_GG και παρέχει την τάση πύλης V_GS. Η V_GG πολώνει ανάστροφα τη δίοδο πύλης με αποτέλεσμα το ρεύμα πύλης I_G να είναι πάρα πολύ μικρό και συνεπώς η αντίσταση εισόδου πάρα πολύ μεγάλη. Επιπλέον, η τάση της πύλης διαμορφώνει, όπως προαναφέρθηκε, την αντίσταση του καναλιού. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται μια γραφική παράσταση των χαρακτηριστικών ρευμάτων απαγωγού I_D συναρτήσει της τάσης απαγωγού V_DS για διάφορες τιμές της τάσης πύλης. Η ομοιότητα της με τη χαρακτηριστική καμπύλη συλλέκτη των διπολικών τρανζίστορ είναι αξιοσημείωτη. Για μικρές τιμές της τάσης απαγωγού το ρεύμα απαγωγού αυξάνει απότομα και γίνεται σχεδόν οριζόντιο στην ενεργό περιοχή. Όταν η τάση απαγωγού γίνει πολύ μεγάλη και υπερβεί την τιμή BV_DGS, που είναι η τάση κατάρρευσης με γειωμένη την πηγή, το JFET, καταρρέει. Όπως και στα διπολικά τρανζίστορ, η ενεργός περιοχή εκτείνεται κατά μήκος του (σχεδόν) οριζόντιου τμήματος της χαρακτηριστικής καμπύλης. Σ' αυτήν την περιοχή το JFET λειτουργεί ως πηγή ρεύματος. Στις καμπύλες ρεύματος απαγωγού σε συνάρτηση της τάσης απαγωγού διακρίνουμε τα εξής:

Κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης: Όταν η τάση της πύλης μηδενιστεί, τότε η πύλη και η πηγή βραχυκυκλώνουν. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης και σ' αυτήν αντιστοιχεί το ρεύμα απαγωγού στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης I_DSS.

Τάση συμπίεσης: Η τάση συμπίεσης (pinch-off voltage) V_P είναι η τάση απαγωγού πάνω από την οποία το ρεύμα απαγωγού γίνεται περίπου σταθερό, στην κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης. Όταν η τάση απαγωγού γίνει ίση με V_P , το αγώγιμο κανάλι γίνεται εξαιρετικά στενό (συμπιέζεται) και οι περιοχές φορτίου χώρου σχεδόν εφάπτονται, με αποτέλεσμα αν η τάση απαγωγού αυξηθεί πέρα της τάσης συμπίεσης V_p το ρεύμα του απαγωγού παραμένει περίπου σταθερό. Η τάση συμπίεσης χωρίζει τη χαρακτηριστική ενός JFET σε δύο περιοχές: την ενεργό περιοχή, η οποία ισχύει όταν η τάση απαγωγού είναι μεγαλύτερη της τάσης συμπίεσης V_P, και την ωμική περιοχή, η οποία ισχύει όταν η τάση απαγωγού είναι μικρότερη της τάσης συμπίεσης. Η τελευταία λέγεται και ωμική διότι σ' αυτήν το ρεύμα του απαγωγού είναι, σχεδόν, ανάλογο της τάσης απαγωγού, δηλαδή ισχύει ο νόμος του Ωμ, και πρακτικά δεν εξαρτάται από την τάση της πύλης. Επιπλέον η ωμική περιοχή αντιστοιχεί στην περιοχή κόρου των διπολικών τρανζίστορ. Στην ωμική περιοχή η αντίσταση R_DS μεταξύ των ακροδεκτών απαγωγού και πηγής υπολογίζεται πολύ εύκολα από την εξίσωση: R_DS = V_P / I_DSS

Τάση αποκοπής πύλης - πηγής: Οι χαρακτηριστικές απαγωγού μοιάζουν με τις χαρακτηριστικές συλλέκτη των διπολικών τρανζίστορ. Στο προηγούμενο σχήμα δίνονται οι χαρακτηριστικές ενός τυπικού JFET. Η υψηλότερη χαρακτηριστική δίνεται για V_GS=0V, για κατάσταση βραχυκυκλωμένης πύλης. Οι υπόλοιπες χαρακτηριστικές αντιστοιχούν για αρνητικές τιμές τάσης πύλης - πηγής V_GS<0. Η χαμηλότερη τιμή V_GS=V_GS(off) που αντιστοιχεί στην τάση αποκοπής πύλης-πηγής, οι περιοχές φορτίου χώρου εφάπτονται, με αποτέλεσμα να αποκόπτεται εντελώς το ρεύμα απαγωγού.

Χαρακτηριστική διαγωγιμότητας: Η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας ενός JFET είναι η γραφική παράσταση του ρεύματος απαγωγού συναρτήσει της τάσης πύλης (βλ. το διπλανό σχήμα). Γενικά η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας οποιουδήποτε JFET έχει την ίδια μορφή, δηλαδή είναι τμήμα παραβολής. Αυτό οφείλεται στην αρχή λειτουργίας των JFET. Η χαρακτηριστική διαγωγιμότητας περιγράφεται από την εξίσωση

η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί προσεγγιστικά για κάθε JFET. Με τη βοήθεια της παραπάνω εξίσωσης είναι δυνατόν να υπολογιστεί το ρεύμα απαγωγού για κάθε τιμή της τάσης πύλης V_GS όταν είναι γνωστό το ρεύμα απαγωγού Ι_DSS σε κατάσταση γειωμένης πύλης και η τάση αποκοπής της πύλης-πηγής V_GS(off). Λόγω της παραβολικής μορφής της καμπύλης αυτής τα JFET ονομάζονται και διατάξεις τετραγωνικού νόμου.