JFET tranzistory - struktury, funkce, charakteristiky

Popis
www.elweb.cz
JFET je zkratkou pro Junction Field Effect Transistor. Jedná se tranzistor řízený elektrickým polem. Je to elektronická součástka obvykle se třemi vývody: Gate (G, hradlo), Drain (D, kolektor), Source (S, emitor). Substrát (B) je uvnitř pouzdra propojen s elektrodou Gate.
www.elweb.cz
Struktura
www.elweb.cz
Na substrátu je (například epitaxí) vytvořena homogenní vrstva opačného typu polovodiče - tzv. kanál, tlustá přibližně 1um. Tato vrstva je pokryta tenkou vrstvičkou dielektrika (SiO₂) a do tohoto dielektrika jsou vyleptána tři okénka. Do prostředního je nadifundována oblast opačného typu polovodiče než jakou má kanál, ale s vyšší dotací (hustotou) příměsových atomů. A do krajních okének jsopu nadifundovány vrstvy stejného typu polovodiče jako má kanál a opět s vyšší dotací. Šířky těchto tří vrstev jsou přibližně 0,3um. Každá z těchto vrstev je opatřena elektrodou. Krajní tvoří Source a Drain a prostřední tvoří Gate. PN přechod pod elektrodou Gate je výrazně nesymetrický. Kanál musí být dostatečně tenký, aby jej bylo možné zaškrtit (viz dále).
www.elweb.cz
Zobrazit: N kanál P kanál vysvětlivky
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
Zapojení SS
www.elweb.cz
Funkci tranzistoru budu popisovat pro zapojení SS (se společným Source). Při popisu funkce a při kreslení charakteristik se striktně držím spotřebičových orientací proudů a napětí dvojbranu. Vše je patrné z následujících schémat:
www.elweb.cz
Zobrazit: N kanál P kanál
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Dvojbran je takové schéma, které má vstupní (vlevo) a výstupní (vpravo) brány. Brána je tvořena dvěma piny (póly). Spotřebičová orientace znamená, že proudy tečou vždy horním pinem dovnitř bran a napětí směřují od horního pinu k dolnímu. Viz šipky ve schématech. V případě, že je napětí respektive proud polarizován opačně, než ukazuje příslušná šipka ve schématu, je jeho hodnota záporná. Ve schematech jsou také vyznačeny možné orientace vnějších zdrojů stejnosměrného napětí (červeným plusem a modrým mínusem).
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Výstupní VA charakteristiky, funkce
www.elweb.cz
Pro zjednodušení popisuji funkci pouze pro N kanál. P kanál funguje analogicky.
U bipolárního tranzistoru se tranzistor "otevírá/zavírá" podle proudu tekoucího do báze. Je tedy řízený proudem (přesněji výkonem). Narozdíl od něj však do Gate u JFETu téměř žádný stejnosměrný proud neteče, protože je (v pracovní oblasti) PN přechod pod elektrodou Gate vždy polarizován v závěrném směru. JFET je bez přiloženého napětí mezi Gate a Source otevřený. Záporným napětím mezi Gate a Source lze zaškrtit kanál a tranzistor "uzavřít", zmenšit tedy vodivost kanálu mezi elektrodami Source a Drain.
www.elweb.cz
Odporová oblast
www.elweb.cz
Tato oblast se také někdy nazývá také triodová. Pro malá napětí U_DS (cca do 1V) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. Toho si můžete všimnout na výstupní VA charakteristice. V blízkosti počátku souřadného systému (v blízkosti nuly) jsou pro všechna U_GS křivky téměř lineární (rovné). A přímka ve VA charakteristice odpovídá právě rezistoru. Její sklon (a tedy i odpor kanálu mezi elektrodami S a D) je řízen právě napětím U_GS.

Přivedením záporného napětí (stále je řeč o N kanálu) mezi elektrody G a S je PN přechod pod Gate i PN přechod mezi kanálem a substrátem polarizovaný závěrně. Zvyšování tohoto závěrného napětí má za následek růst tloušťky ochuzené vrstvy a tím zmenšení efektivního průřezu kanálu. Tím roste odpor kanálu.
Pro větší napětí U_DS (cca od 1V do 3V) tyto úsečky přecházejí v křivky.
K tomu dochází proto, že kanál není ovlivňován už jen elektrickým polem způsobeným napětí U_GS, ale i polem způsobeným napětím U_DS. Vodivý kanál se tedy začne u elektrody Drain zužovat. Tomuto zužování se říká zaškrcování kanálu (pinch-off).

www.elweb.cz
Oblast saturace
www.elweb.cz
Pro vyšší hodnoty U_DS (cca od 3V) přechází charakteristiky opět do lineárních úseček. Tomuto místu odpovídají ve výstupních VA charakteristikách tzv. body zaškrcení kanálu vyznačené červeně. Proud se s rostoucím napětím U_DS již téměř nezvyšuje. Charakteristické je vějířovité rozevření těchto úseček, které popisuje parametr lambda odpovídající Earlymu napětí u bipolárních tranzistorů.
Při U_DS=U_DSsat (saturační napětí) došlo k zaškrcení kanálu vlivem působícího el. pole způsobeného napětím U_DS.
Pro použití tranzistoru JFET jako zesilovače signálu se používá oblast saturace.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Zobrazit: N kanál P kanál
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Charakteristiky jsou kresleny tak, aby na nich bylo možné vše přehledně vyznačit. Proto nejsou měřítka na osách lineární, ale nějaké úseky jsou zvětšeny nebo naopak zmenšeny. Modře jsou vyznačeny orientační hodnoty napětí a proudů pro běžný tranzistor.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Průraz tranzistoru
www.elweb.cz
K průrazu dochází při překročení maximální hodnoty součtu absolutních hodnot U_DS a U_GS. Průraz je způsoben příliš vysokým závěrným napětím PN přechodu pod Gate v místě blíže elektrody Drain. Jeho charakter lze přirovnat k průrazu diody v závěrném směru.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Vstupní VA charakteristiky
www.elweb.cz
Vstupní stejnosměrný proud je v pracovní oblasti je proud závěrně polarizovaným PN přechodem, který se pohybuje v řádech nA. Mimo pracovní oblast (v prvním kvadrantu charakteristik) se vstup G-S chová jako dioda v propustném směru.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Zobrazit: N kanál P kanál
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
Další vlastnosti
Kvůli větší pohyblivosti elektronů než děr mají obecně lepší vlastnosti tranzistory s kanálem typu N.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Poznámka: Článek vznikl na základě mé přípravy na zkoušku z předmětu "Elektronické součástky a struktury" ve druhém ročníku na ČVUT FEL. Problematiku jsem se snažil popsat vlastními slovy tak, jak jsem ji já pochopil a aby mohla být pochopena normálním smrtelníkem. Článek neodráží kvalitu ani rozsah výuky zmíněného předmětu.