ترانزیستور اثر میدان(FET) قسمت اول JFET

ترانزیستور اثر میدان ( FET )

مقدمه

ترانزیستور های معمولی به دلیل ساختار فیزیکی خاصی که دارند ترانزیستور های دو پیوندی یا BJT نامیده می شوند و عناصری هستند که جریان را کنترل می کنند به زبانی دیگر جریان بیس ترانزیستور جریان کلکتور را کنترل می کند. البته در BJT تغییر ولتاژ بیس امیتر نیز می تواند IB را تغییر داده و سرانجام IC کنترل شود. برای برقراری جریان در اتصال کلکتور ، باید جریان بیس به اندازه ای باشد که بتواند به طور کامل بر پتانسیل سد پیوند بیس امیتر غلبه کند و آن را بشکند. وجود جریان ورودی زیاد در ترانزیستور BJT باعث می شود که مقاومت ورودی ترانزیستور های دو پیوندی نسبتا کم باشد به طوری که مقاومت ورودی حتی در آرایش کلکتور مشترک، از چند صد کیلو اهم تجاوز نکند.

بنابراین هنگامی که می خواهیم سیگنال منبعی با فرکانس بالا را تقویت کنیم نمی توانیم ترانزیستور BJT را در طبقه اول تقویت کننده به کار ببریم زیرا مقاومت ورودی کم آن باعث بار گذاری می شود.

ترانزیستور اثر میدان پیوندی یا JFET ( Junction Field Effect Transistor )

ساختمان JFET با کانال N

شکل زیر ساختمان این نوع ترانزیستور را نشان می دهد:

 

 

این ترانزیستور از یک کریستال نوع N تشکیل شده است که یک فلز ۳ ظزفیتی مانند ایندیم را به گونه ای نفوذ می دهند که یک ناحیه نوع p با غلظتی بیش(ایران پروژه) از ناحیه n تشکیل شود تا یک پیوند PN بوجود آید. در این حالت ناحیه N را کانال و نیمه هادی نوع P را دروازه یا گیت ( Gate )       می نامند. با اتصال دو سیم به دو طرف لایه N و یک سیم به لایه P یک عنصر سه پایه حاصل می شود که به ترانزیستور با اثر میدان پیوندی معروف است.

 

در عمل برای این که ترانزیستور مشخصات الکتریکی بهتری داشته باشد ، ناحیه گیت را مانند شکل زیر در اطراف کانال ایجاد می کنند.

 

 

در این ترانزیستور دو کریستال P را از داخل به هم وصل می کنند ، چنانچه ترانزیستوری با دو گیت در دست باشد ، باید به وسیله سیمی این دو پایه را به هم وصل نمود . (ایران پروژه) ممکن است برای سادگی رسم شکل ، دو کریستال P را که به هم متصل است فقط با یک اتصال گیت ، نشان دهند.

 

علامت اختصاری این نوع ترانزیستور به صورت است :

 

 

ساختمان JFET با کانال P

 

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 کریستال N است. در شکل زیر ساختمان کریستالی و علامت اختصاری JFET با کانال P را مشاهده می کنید:

 

 

رفتار JFET در مدار

 

برای بررسی رفتار ترانزیستور در مدار ، نخست حالتی را در نظر می گیریم که پایه گیت به پایه سورس اتصال کوتاه شده باشد. در این حالت اثر تغییر VDS را روی کانال بررسی می کنیم.

 

مطابق شکل زیر اگر پایه های درین سورس نیز اتصال کوتاه شده باشند ، هیچ جریانی از کانال نمی گذرد و نواحی P و N توسط لایه نازک سد که تهی از حامل های(ایران پروژه) جریان است و بلافاصله پس از ایجاد پیوند PN به وجود می آید ، از یکدیگر جدا می شوند.

 

 

حال اگر یک منبع ولتاژ به نام VDD را بین پایه های درین و سورس وصل کنیم ، به طوری که درین نسبت به سورس مثبت باشد ، با افزایش تدریجی ولتاژ ، جریانی که از کانال می گذرد نیز افزایش می یابد. اعمال این ولتاژ بین درین و سورس و عبور جریان از آن ، افت ولتاژی را در مسیر به وجود می آورد و پیوند PN را در گرایش معکوس قرار   می دهد. در این حالت ناحیه تهی شده از حامل های جریان بیشتر در داخل کانال نفوذ می کند. شکل زیر ، ناحیه تهی از بار P و N ) افزایش لایه سد ) در اثر افزایش جریان درین را نشان می دهد.

 

 

گسترش ناحیه تهی از بار در اثر توزیع پتانسیل VDS  از درین تا سورس است. چون گیت در پتانسیل صفر قرار دارد و هم پتانسیل با سورس است، هرقدر در طول کانال به درین نزدیک تر شویم ، اختلاف پتانسیل آن نسبت به گیت بیش تر می شود ، زیرا در طول میله مانند افت (ایران پروژه) ولتاژ در یک مقاومت است. در این شرایز اتصال PN بیشتر به بایاس مخالف میل می کند و لایه تهی از بار گسترده تر می شود. به بیان دیگر توسعه ناحیه تهی از بار ( گسترش ناحیه سد) از سمت درین رشد می کند.

 

چنانچه VDS را باز هم افزایش دهیم ، ناحیه تهی شده گسترش بیشتری می یابد و سرانجام مطابق شکل زیر به حداکثر گسترش خود می رسد.

 

 

تا زمانی که کانال به حد اکثر گرفتگی نرسیده است ، افزایش VDS  سبب افزایش جریان درین ID می شود. با بسته شدن حداکثری کانال ، دیگر افزایش VDS تغییر محسوسی در جریان درین ایجاد نمی کند و جریان درین ثابت می ماند ، در این حالت می گویند JFET به اشباع رسیده است.

 

جریان اشباع را IDSS  ) جریان درین سورس اشباع ) می نامند. افزایش بیشتر VDS ، ناحیه تهی از بار در سطح کانال را گسترده تر می کند و مقاومت کانال افزایش می دهد. چون میزان افزایش VDS و افزایش مقاومت کانال ( RDS ) به یک نسبت است، جریان درین همچنان ثابت باقی می ماند. همان طور در شکل زیر مشاهده می کنید ، افزایش VDS بعد از بسته شدن حداکثری کانال ، تاثیری در مقدار ID ندارد و ID در حد مقدار IDSS ثابت باقی مانده است.

 

 

چنان چه مطابق شکل زیر با اعمال یک ولتاژ به دو سر گیت سورس سد PN را در گرایش معکوس قرار دهیم ، هرگونه افزایشی در میزان این ولتاژ ، گسترش سریع تر لایه سد ( ناحیه تهی از حامل های جریان ) در داخل کانال را به همراه داردو موجب افزایش مقاومت کانال و کاهش جریان درین می شود.

 

 

شکل زیر نشان می دهد که با کاهش VGG ، عرض کانال بیشتر می شود و مقاومت کانال را کاهش می دهد. در این شرایط جریان درین بیشتری از مدار می گذرد.

 

 

در این شکل نیز مقدار VGS را افزایش داده ایم. در این حالت، کانال باریک تر می شود و مقاومت کانال را افزایش می دهد. لذا جریان درین ( ID ) کمتری از مدار می گذرد.

 

 

اصطلاحات و تعاریف مهم و متداول

 

اصطلاحات و تعاریف متداول

منحنی مشخصه JFET

 

برای این که بتوانیم هر قطعه ی الکترونیکی را تحلیل و بررسی کنیم باید منحنی مشخصه های را در مورد  آن بدانیم. این منحنی مشخصه ها را رابطه ی بین ولتاژ و جریان پایه ها را بررسی می کنند.

 

در ترانزیستور JFET تغییرات جریان درین وابسته (ایران پروژه) به تغییرات دو عامل است که یکی VDS و دیگری VGS می باشد. برای مشخص کردن میزان این وابستگی ها باید در هر مرحله یکی از این متغیر ها را ثابت نگه داریم و دیگری را تغییر دهیم و مجهول را بررسی کنیم.

 

مدار زیر برای رسم منحنی مشخصه های JFET می باشد:

 

 

 

 

منحنی مشخصه ی خروجی JFET

 

برای رسم منحنی مشخصه ی خروجی این ترانزیستور باید اثر تغییرات ولتاژ VDS را بر جریان IS به ازای ولتاژ های مختلف VGS بررسی کنیم.

 

برای این کار می توانیم در هر مرحله ولتاژ VGS را رو ی یک (ایران پروژه) مقدار مشخص تنطیم کنیم و سپس با تغییر VDS از صفر تا حداکثر جریان IS را بررسی کنیم.

 

این منحنی مشخصه به صورت زیر می باشد :

 

 

نواحی کار منحنی مشخصه ی خروجی

 

در این قسمت نواحی مختلف ای ترانزیستور و حالت های کاری که ترانزیستور می تواند روی آن قرار بگیرد را بررسی می کنیم:

 

ناحیه قطع ( Cut off Region )

 

ناحیه قطع ناحیه ای است که در آن ولتاژ VGS برابر با VGS off  می باشد. در (ایران پروژه) این حالت کانال داخل ترانزیستور بسته می شود و جریان ID برابر با صفر است و با تغییرات VDS این مقدار جریان تغییر نمی کند.

 

در این حالت ترانزیستور به صورت یک کلید قطع عمل می کند.

 

ناحیه اهمی ( Ohmic Region )

 

این بخش ناحیه ای از منحنی مشخصه خروجی بخش است که در آن تغییرات جریان ID نسبت به VDS  خطی است. در این ناحیه ترانزیستور مانند یک مقاومت اهمی تابع ولتاژ عمل می کند که مقدار آن با ولتاژ گیت سورس کنترل می شود.

 

 

ناحیه اشباع یا فعال ( Active Region )

 

در ناحیه ای که در آن VDS > Vr می باشد ناحیه اشباع یا فعال می گویند. در این ناحیه تغییرات VDS اثری بر مقدار ID ندارد و جریان درین تقریبا ثابت است.

 

شکل زیر محدوده این ناحیه را بر روی منحنی مشخصه ی خروجی نشان می دهد :

 

 

برای آن که ترانزیستور از ناحیه اهمی وارد ناحیه اشباع (فعال) شود باید (ایران پروژه) مقدار ولتاژ درین سورس از مقدار معینی که ولتاژ درین سورس گذر ( Transition Voltage )       ( VDstr ) نامیده می شود ، بیشتر باشد یعنی VDS > VDS(Tr) .

 

ولتاژ درین سورس گذر از رابطه :

 

در ناحیه اشباع ، مقدار جریان ID را می توان از رابطه زیر بدست آورد :

 

 

 

 

منحنی مشخصه ی انتقالی JFET

 

در منحنی مشخصه ی انتقالی ، تغییرات VGS را بر ID بررسی می کنیم. مقدار VGS می تواند از صفر ولت تا مقدار VGS off  تغییر کند. این تغییرات ولتاژ ، جریان درین را از ID = 0 تا IDSS کنترل می کند. به همین دلیل نسبت بین دو کمیت ID برحسب تغییرات VGS در شرایطی که VDS ثابت است را منحنی مشخصه انتقالی می گویند. در شکل زیر منحنی مشخصه ی انتقالی برای یک نوع JFET با کانال N رسم شده است :

 

توجه:  هرگونه شبیه سازی در زمینه نرم افزارهای مهندسی برق قدرت پذیرفته می‎شود.جهت سفارش با ایمیل های زیر و یا ایدی تلگرام مدیر ارتباط برقرار کنید:

[e-mail]

[e-mail] 

[e-mail]

 

آدرس کانال تلگرامی

telegram.me/iranprojectblog

ایدی ادمین

http://telegram.me/iranprocro