ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET)

ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET)

---

ترانزیستور اثر میدان پیوندی یا  Junction Field Effect Transistor :

نوعی از ترانزیستور های فت (fet) بوده ، که برای کاربرد خاصی طراحی شده اند.این ترانزیستور ها دارای دو دسته اِن چَنل (N CHANNEL) و پی چَنل (P CHANNEL) می باشند.

 

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 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 . ممکن است برای سادگی رسم شکل ، دو کریستال P را که به هم متصل است فقط با یک اتصال گیت ، نشان دهند.

 

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 ترانزیستور اثر میدان پیوندی (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 V_DS 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 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 V_DD 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.

 

ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET):

 

گسترش ناحیه تهی از بار در اثر توزیع پتانسیل V_DS  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 ولتاژ در یک مقاومت است.

 

در این شرایط 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 V_DS 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 V_DS  سبب افزایش جریان درین I_D می شود. با بسته شدن حداکثری کانال ، دیگر افزایش V_DS 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 I_DSS  ( جریان درین سورس اشباع ) می نامند. افزایش بیشتر V_DS ، ناحیه تهی از بار در سطح کانال را گسترده تر می کند و مقاومت کانال افزایش می دهد. چون میزان افزایش V_DS و افزایش مقاومت کانال ( R_DS ) به یک نسبت است، جریان درین همچنان ثابت باقی می ماند.

 

همان طور در شکل زیر مشاهده می کنید ، افزایش V_DS بعد از بسته شدن حداکثری کانال ، تاثیری در مقدار I_D ندارد و I_D در حد مقدار I_DSS ثابت باقی مانده است.

 

چنان چه 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.

 

با کاهش V_GG ، عرض کانال بیشتر می شود و مقاومت کانال را کاهش می دهد. در این شرایط جریان درین بیشتری از مدار می گذرد.

 

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

منحنی مشخصه ترانزیستور اثر میدان پیوندی (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 به تغییرات دو عامل است که یکی V_DS و دیگری V_GS 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.

 

منحنی مشخصه ی خروجی JFET:

برای رسم منحنی مشخصه ی خروجی این ترانزیستور باید اثر تغییرات ولتاژ V_DS را بر جریان I_S به ازای ولتاژ های مختلف V_GS بررسی کنیم.

 

برای این کار می توانیم در هر مرحله ولتاژ V_GS را رو ی یک مقدار مشخص تنطیم کنیم و سپس با تغییر V_DS از صفر تا حداکثر جریان I_S را بررسی کنیم.

 

نواحی کار منحنی مشخصه ی خروجی ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET):

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 V_GS برابر با V_{GS off}  می باشد. در این حالت کانال داخل ترانزیستور بسته می شود و جریان I_D برابر با صفر است و با تغییرات V_DS این مقدار جریان تغییر نمی کند.

 

در این حالت ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET) 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 I_D نسبت به V_DS  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 V_DS > V_r می باشد ناحیه اشباع یا فعال می گویند. در این ناحیه تغییرات V_DS اثری بر مقدار I_D 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 مقدار ولتاژ درین سورس از مقدار معینی که ولتاژ درین سورس گذر ( Transition Voltage )       ( V_Dstr ) نامیده می شود ، بیشتر باشد یعنی V_DS > V_DS(Tr) .

 

منحنی مشخصه ی انتقالی ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET):

در منحنی مشخصه ی انتقالی ، تغییرات V_GS را بر I_D بررسی می کنیم. مقدار V_GS می تواند از صفر ولت تا مقدار V_{GS off}  تغییر کند. این تغییرات ولتاژ ، جریان درین را از I_D = 0 تا I_DSS کنترل می کند. به همین دلیل نسبت بین دو کمیت I_D برحسب تغییرات V_GS در شرایطی که V_DS 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 :

 

(منبع : microlearn )