Жұқа қабатты транзисторлар: Құрылысы мен қолданылуы
JFET
Жұмыс істеу принципі, қолданылуы мен артықшылықтарын қарастыратын JFET транзисторлары туралы мақала. Электронды ажыратқыштар, күшейткіштер үшін өте қолайлы!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Өріс эффектілік транзистордың түрі
Type of field effect transistor
Жұқа қабатты өріс эффектілік транзистор (JFET) – өріс эффектілік транзистордың ең қарапайым түрлерінің бірі. JFET – үш терминалды жартылай өткізгіш құрылғы, оны электрондық басқарылатын коммутаторлар немесе резисторлар ретінде, немесе күшейткіштер құру үшін қолдануға болады. Биполярлы тоқпен басқарылатын транзисторлардан айырмашылығы, JFET тек кернеумен басқарылады, себебі оларға алдын ала ток қажет емес. Электр заряды көз және ағызу терминалдары арасындағы жартылай өткізгіш арна арқылы өтеді. Қақпа терминалына кері полярлы кернеу қолданылғанда арна тарылады, соның салдарынан электр тогының өтуіне кедергі келтіріледі немесе толығымен тоқтатылады. JFET әдетте қақпасы мен көзі арасындағы кернеу нөлге тең болғанда ток өткізеді. Егер қақпасы мен көзі арасында дұрыс полярлы потенциалдар айырмасы қолданылса, JFET ток өтуіне қарсы кедергісі артады, яғни көз бен ағызу терминалдары арасындағы арнадағы ток азаяды. JFET кейде тозу режимінде жұмыс істейтін құрылғы деп аталады, себебі ол тозу аймағының принципіне негізделген, онда басым заряд тасымалдаушылар жоқ. Ток ағуы үшін тозу аймағының жабылуы қажет. JFET n немесе p типті арнаға ие болуы мүмкін. n типінде, егер қақпаға қолданылатын кернеу көзге қатысты теріс болса, ток азаяды (ұқсас түрде p типінде, егер қақпаға қолданылатын кернеу көзге қатысты оң болса). Ортақ көз немесе ортақ ағызу конфигурациясындағы JFET үлкен кіріс кедергісіне ие (кейде 1010 ом шамасында), сондықтан қақпаға кіріс ретінде қолданылатын тізбектерден аз ток жұмсалады.
The junction field effect transistor (JFET) is one of the simplest types of field effect transistor. JFETs are three terminal semiconductor devices that can be used as electronically controlled switches or resistors, or to build amplifiers. Unlike bipolar junction transistors, JFETs are exclusively voltage controlled in that they do not need a biasing current. Electric charge flows through a semiconducting channel between source and drain terminals. By applying a reverse bias voltage to a gate terminal, the channel is pinched, so that the electric current is impeded or switched off completely. A JFET is usually conducting when there is zero voltage between its gate and source terminals. If a potential difference of the proper polarity is applied between its gate and source terminals, the JFET will be more resistive to current flow, which means less current would flow in the channel between the source and drain terminals. JFETs are sometimes referred to as depletion mode devices, as they rely on the principle of a depletion region, which is devoid of majority charge carriers. The depletion region has to be closed to enable current to flow. JFETs can have an n type or p type channel. In the n type, if the voltage applied to the gate is negative with respect to the source, the current will be reduced (similarly in the p type, if the voltage applied to the gate is positive with respect to the source). Because a JFET in a common source or common drain configuration has a large input impedance (sometimes on the order of 1010 ohms), little current is drawn from circuits used as input to the gate.
Тарих
FET-ке ұқсас құрылғылардың бірі 1920-1930 жылдары Юлиус Лилиенфельд патент алған. Дегенмен, материалтану және өндіріс технологиясы FET-тің нақты өндірілуі үшін ондаған жылдық дамуды қажет етті. JFET-ті алғаш рет 1945 жылы Генрих Велкер патенттеді. 1940 жылдары зерттеушілер Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн және Уильям Шокли FET құруға тырысты, бірақ олардың көптеген әрекеттері сәтсіз аяқталды. Сәтсіздіктерінің себептерін анықтауға тырысқанда олар нүктелі контактілі транзисторды ашты. 1952 жылы Шоклидің JFET-ті теориялық тұрғыдан қарастырғаннан кейін, 1953 жылы Джордж С. Дейси мен Иан М. Росс жұмыс істейтін практикалық JFET құрылғысын жасады. 2008 жылы кремний карбидінен (SiC) жасалған кең жолақты құрылғылардың коммерциялық өндіріске енгізілуімен JFET-терді пайдаланып жоғары жылдамдықты, жоғары кернеулі коммутация техникалық тұрғыдан мүмкін болды. Өндірістегі бастапқы қиындықтарға байланысты – әсіресе, тұрақсыздық пен төмен өнімділік – SiC JFET бастапқыда нарықта шешілген өнім болып қала берді, оған сәйкес жоғары құн да болды. 2018 жылға қарай бұл өндіріс мәселелері көбінесе шешілді. Сол кезде SiC JFET-тер дәстүрлі төмен кернеулі кремний MOSFET-термен бірге жиі қолданылатын болды. Бұл комбинацияда SiC JFET + Si MOSFET құрылғылары кең жолақты құрылғылардың артықшылықтарына және MOSFET-тердің жеңіл басқарылатын қақпасына ие. Ағыту қабаты өткізгіш каналдың еніне жеткенде, тоқтау жүзеге асырылады және көзден ағын тоқтатылады. Тоқтау қақпа-көз тоғысуының белгілі бір кері бұрылысында (VGS) пайда болады. Тоқтау кернеуі (Vp) (сонымен қатар, шекті кернеу немесе кесу кернеуі деп те аталады) бір типті құрылғылар арасында да айтарлықтай өзгереді. Мысалы, Temic J202 құрылғысы үшін VGS(off) -0,8 В-тан -4 В-қа дейін өзгереді. Типтік мәндер -0,3 В-тан -10 В-қа дейін ауытқуы мүмкін. (Қызығы, тоқтау кернеуі термині сызықтық және қанығу аймақтарын бөлетін VDS мәнін білдіру үшін де қолданылады. Барлық жағдайда, жебе басы канал мен қақпа арасында пайда болған P-N тоғысуының полярлығын көрсетеді. Қалыпты диодтағыдай, жебе P-ден N-ге қарай бағытталған, алдыңғы жаққа қосылғандағы дәстүрлі ток бағытын көрсетеді. Ағылшын тіліндегі еске түсіру ретінде N-каналды құрылғының жебесі "ішке қарай" бағытталған.)
A succession of FET like devices was patented by Julius Lilienfeld in the 1920s and 1930s. However, materials science and fabrication technology would require decades of advances before FETs could actually be manufactured. JFET was first patented by Heinrich Welker in 1945. During the 1940s, researchers John Bardeen, Walter Houser Brattain, and William Shockley were trying to build a FET, but failed in their repeated attempts. They discovered the point contact transistor in the course of trying to diagnose the reasons for their failures. Following Shockley's theoretical treatment on JFET in 1952, a working practical JFET was made in 1953 by George C. Dacey and Ian M. Ross. High speed, high voltage switching with JFETs became technically feasible following the commercial introduction of Silicon carbide (SiC) wide bandgap devices in 2008. Due to early difficulties in manufacturing — in particular, inconsistencies and low yield — SiC JFETs remained a niche product at first, with correspondingly high costs. By 2018, these manufacturing issues had been mostly resolved. By then, SiC JFETs were also commonly used in conjunction with conventional low voltage Silicon MOSFETs. In this combination, SiC JFET + Si MOSFET devices have the advantages of wide band gap devices as well as the easy gate drive of MOSFETs. When the depletion layer spans the width of the conduction channel, pinch off is achieved and drain to source conduction stops. Pinch off occurs at a particular reverse bias (VGS) of the gate–source junction. The pinch off voltage (Vp) (also known as threshold voltage or cut off voltage) varies considerably, even among devices of the same type. For example, VGS(off) for the Temic J202 device varies from −0.8 V to −4 V. Typical values vary from −0.3 V to −10 V. (Confusingly, the term pinch off voltage is also used to refer to the VDS value that separates the linear and saturation regions. In every case the arrow head shows the polarity of the P–N junction formed between the channel and the gate. As with an ordinary diode, the arrow points from P to N, the direction of conventional current when forward biased. An English mnemonic is that the arrow of an N channel device "points in".
Басқа транзисторлармен салыстыру
Бөлме температурасында JFET қақпасының тогы (қақпа мен канал арасындағы кері ағысы) MOSFET-тің тоғымен (қақпа мен канал арасында оқшаулағыш оксид бар) шамалас, бірақ биполярлы тоқ транзистордың базалық тоғынан әлдеқайда төмен. JFET MOSFET-ке қарағанда жоғары күшейтуге (транспроводниктікке) ие, сондай-ақ оның жыпылықтау шуы төмен болғандықтан, кейбір төмен шулы, жоғары кіріс кедергісі бар операциялық күшейткіштерде қолданылады. Бұған қоса, JFET статикалық зарядтың жиналуынан зақымдануға көбірек төзімді.
At room temperature, JFET gate current (the reverse leakage of the gate to channel junction) is comparable to that of a MOSFET (which has insulating oxide between gate and channel), but much less than the base current of a bipolar junction transistor. The JFET has higher gain (transconductance) than the MOSFET, as well as lower flicker noise, and is therefore used in some low noise, high input impedance op amps. Additionally the JFET is less susceptible to damage from static charge buildup.