Транзистор с управляющим переходом (JFET): принцип работы и развитие
JFET
JFET транзисторы: принцип работы, применение в схемах. Управляемые напряжением, без тока смещения. Полупроводниковые приборы для усиления и переключения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип полевого транзистора
Type of field effect transistor
Транзистор с управляющим p-n переходом (JFET) является одним из самых простых типов полевых транзисторов. JFET – это трехвыводное полупроводниковое устройство, которое может использоваться в качестве электронно-управляемых переключателей или резисторов, или для создания усилителей. В отличие от биполярных транзисторов, JFET управляются исключительно напряжением, поскольку не требуют тока смещения. Электрический заряд протекает через полупроводниковый канал между истоком и стоком. При подаче обратного напряжения на затвор, канал сужается, что препятствует протеканию электрического тока или полностью его отключает. JFET обычно проводит ток при нулевом напряжении между затвором и истоком. Если между затвором и истоком приложена разность потенциалов правильной полярности, JFET становится более сопротивляющим протеканию тока, то есть ток в канале между истоком и стоком уменьшается. JFET иногда называют транзисторами с режимом обеднения, поскольку они основаны на принципе области обеднения, лишенной основных носителей заряда. Область обеднения должна быть закрыта, чтобы обеспечить протекание тока. JFET могут иметь n-канальный или p-канальный тип. В n-канальном типе, если напряжение на затворе отрицательно относительно истока, ток уменьшается (аналогично, в p-канальном типе, если напряжение на затворе положительно относительно истока). Поскольку JFET в схемах с общим истоком или общим стоком имеет большое входное сопротивление (иногда порядка 10¹⁰ Ом), из входных цепей, подключенных к затвору, потребляется незначительный ток.
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.
История
Последовательность устройств, подобных полевым транзисторам, была запатентована Юлиусом Лилиенфельдом в 1920-х и 1930-х годах. Однако для фактического производства полевых транзисторов потребовались десятилетия прогресса в материаловедении и технологии изготовления. JFET был впервые запатентован Генрихом Велкером в 1945 году. В 1940-х годах исследователи Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Шокли пытались создать полевой транзистор, но безуспешно. В ходе попыток диагностировать причины своих неудач они открыли транзистор с точечным контактом. После теоретического анализа JFET, проведенного Шокли в 1952 году, в 1953 году Джордж С. Дейси и Иан М. Росс создали работоспособный практический JFET. Высокоскоростное переключение высокого напряжения с использованием JFET стало технически возможным после коммерческого внедрения устройств на карбиде кремния (SiC) с широкой запрещенной зоной в 2008 году. Из-за ранних трудностей в производстве — в частности, из-за несоответствий и низкого выхода годных изделий — SiC JFET поначалу оставались нишевым продуктом с соответствующе высокими затратами. К 2018 году эти производственные проблемы были в основном решены. К тому времени SiC JFET также широко использовались в сочетании с традиционными кремниевыми MOSFET низкого напряжения. В этой комбинации устройства SiC JFET + Si MOSFET сочетают в себе преимущества устройств с широкой запрещенной зоной и простоту управления затвором MOSFET. Когда обедненный слой охватывает ширину проводящего канала, достигается перекрытие (pinch-off) и прекращается проводимость между стоком и истоком. Перекрытие происходит при определенном обратном смещении (VGS) p–n перехода затвор-исток. Напряжение перекрытия (Vp) (также известное как пороговое напряжение или напряжение отсечки) значительно варьируется даже между устройствами одного типа. Например, VGS(off) для устройства Temic J202 изменяется от −0,8 В до −4 В. Типичные значения находятся в диапазоне от −0,3 В до −10 В. (Интригующе, термин "напряжение перекрытия" также используется для обозначения значения VDS, которое разделяет линейный и режим насыщения). В каждом случае стрелка указывает на полярность p–n перехода, образованного между каналом и затвором. Как и в случае с обычным диодом, стрелка направлена от P к N, в направлении обычного тока при прямом смещении. Мнемоническое правило на английском языке гласит, что стрелка N-канального устройства "смотрит внутрь".
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".
Сравнение с другими транзисторами
При комнатной температуре ток затвора JFET (обратный ток утечки затвора в канал) сопоставим с током MOSFET (который имеет изолирующий оксид между затвором и каналом), но значительно меньше, чем базовый ток биполярного транзистора. JFET обладает большей усилением (транспроводимостью), чем MOSFET, а также меньшим мерцающим шумом, поэтому он используется в некоторых малошумящих операционных усилителях с высоким входным сопротивлением. Кроме того, JFET менее подвержен повреждениям от накопления статического электричества.
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.