JFET je tranzistor s efektem pole brány Junction. Normální tranzistor je zařízení řízené proudem, které potřebuje proud pro předpětí, zatímco JFET je zařízení řízené napětím. Stejně jako MOSFETy, jak jsme viděli v našem předchozím tutoriálu, JFET má tři terminály Gate, Drain a Source.
JFET je nezbytnou součástí pro přesné ovládání úrovně napětí v analogové elektronice. Můžeme použít JFET jako napěťově řízené odpory nebo jako spínač, nebo dokonce vytvořit zesilovač pomocí JFET. Jedná se také o energeticky účinnou verzi, která má nahradit BJT. JFET poskytuje nízkou spotřebu energie a poměrně nízké ztráty energie, čímž zlepšuje celkovou účinnost obvodu. Poskytuje také velmi vysokou vstupní impedanci, což je hlavní výhoda oproti BJT.
Existují různé typy tranzistorů, v rodině FET existují dva podtypy: JFET a MOSFET. O MOSFETu jsme již hovořili v předchozím tutoriálu, zde se dozvíte více o JFET.
Typy JFET
Stejně jako MOSFET má dva podtypy - N Channel JFET a P Channel JFET.
Schématický model N kanálu JFET a P kanálu JFET jsou zobrazeny na obrázku výše. Šipka označuje typy JFET. Šipka zobrazující bránu označuje, že JFET je N-kanál a na druhé straně šipka od brány označuje JFET P-kanálu. Tato šipka také označuje polaritu PN spojení, které je vytvořeno mezi kanálem a bránou. Zajímavé je, že anglická mnemotechnická pomůcka znamená, že šipka zařízení N-Channel označuje „Points i n “.
Proud protékající odtokem a zdrojem je závislý na napětí přivedeném na svorku brány. Pro JFET kanálu N je napětí brány záporné a pro JFET kanálu P je napětí brány kladné.
Konstrukce JFET
Na výše uvedeném obrázku vidíme základní konstrukci JFET. N-Channel JFET sestává z materiálu typu P v substrátu typu N, zatímco materiály typu N se používají v substrátu typu p k vytvoření JFET kanálu P.
JFET je konstruován pomocí dlouhého kanálu polovodičového materiálu. V závislosti na procesu konstrukce, pokud JFET obsahuje velké množství nosičů pozitivního náboje (označuje se jako otvory), je to JFET typu P a pokud má velký počet nosičů negativního náboje (označuje se jako elektrony), nazývá se to typ N JFET.
V dlouhém kanálu polovodičového materiálu jsou na každém konci vytvořeny ohmické kontakty pro vytvoření spojení zdroje a odtoku. Spojení PN je vytvořeno na jedné nebo obou stranách kanálu.
Fungování JFET
Jedním z nejlepších příkladů, jak porozumět fungování JFET, je představit si trubku zahradní hadice. Předpokládejme, že zahradní hadice zajišťuje průtok vody skrz ni. Pokud stlačíme hadici, bude průtok vody menší a v určitém okamžiku, pokud ji stlačíme úplně, bude nulový průtok vody. JFET funguje přesně tímto způsobem. Pokud vyměníme hadici za JFET a průtok vody za proud a poté zkonstruujeme kanál nesoucí proud, mohli bychom řídit tok proudu.
Když mezi bránou a zdrojem není napětí, stane se kanál hladkou cestou, která je dokořán pro tok elektronů. Ale obrácená věc se stane, když je mezi bránou a zdrojem přivedeno napětí v opačné polaritě, díky čemuž je křižovatka PN obrácena předpjatě a kanál je užší tím, že zvyšuje vrstvu vyčerpání a může dát JFET do oblasti cut-off nebo pinch off.
Na níže uvedeném obrázku vidíme režim nasycení a režim odtržení a budeme schopni pochopit, že vrstva vyčerpání se rozšířila a proud se zmenšil.
Pokud chceme vypnout JFET, musíme poskytnout zápornou bránu zdrojového napětí označenou jako V GS pro JFET typu N. Pro JFET typu P musíme poskytnout pozitivní V GS.
JFET funguje pouze v režimu vyčerpání, zatímco MOSFET mají režim vyčerpání a režim vylepšení.
Charakteristická křivka JFET
Na výše uvedeném obrázku je JFET předpjatý prostřednictvím variabilního stejnosměrného napájení, které bude řídit V GS JFET. Rovněž jsme aplikovali napětí na Drain a Source. Pomocí proměnné V GS můžeme vykreslit IV křivku JFET.
Na výše uvedeném obrázku IV můžeme vidět tři grafy pro tři různé hodnoty napětí V GS, 0V, -2V a -4V. Existují tři různé oblasti Ohmic, Saturation a Breakdown region. Během ohmické oblasti funguje JFET jako rezistor řízený napětím, kde je tok proudu řízen napětím na něj přivedeným. Poté se JFET dostane do oblasti nasycení, kde je křivka téměř rovná. To znamená, že tok proudu je dostatečně stabilní tam, kde by V DS nerušil tok proudu. Ale když je V DS mnohem více než tolerance, JFET se dostane do režimu poruchy, kde je nekontrolovaný tok proudu.
Tato křivka IV je téměř stejná i pro JFET kanálu P, ale existuje jen málo rozdílů. JFET přejde do cut-off režimu, když V GS a Pinch napětí nebo (V P) jsou stejné. Stejně jako ve výše uvedené křivce se pro N kanál JFET zvyšuje odběrový proud, když se zvyšuje V GS. Ale pro JFET kanálu P se odběrový proud snižuje, když se zvyšuje V GS.
Předpětí JFET
K správnému zkreslení JFET se používají různé typy technik. Z různých technik se široce používají níže tři:
- Opravená technika DC Biasing
- Technika samoobjímání
- Předpětí potenciálního rozdělovače
Opravená technika DC Biasing
V technice fixního stejnosměrného předpětí JFET kanálu N je brána JFET připojena takovým způsobem, že V GS JFET zůstává po celou dobu záporný. Jelikož je vstupní impedance JFET velmi vysoká, nejsou ve vstupním signálu pozorovány žádné zátěžové efekty. Tok proudu odporem R1 zůstává nulový. Když aplikujeme AC signál na vstupní kondenzátor C1, objeví se signál přes bránu. Nyní, když vypočítáme pokles napětí na R1, podle Ohmova zákona to bude V = I x R nebo V pokles = proud brány x R1. Protože proud proudící do brány je 0, pokles napětí na bráně zůstává nulový. Takže touto předpínací technikou můžeme ovládat odtokový proud JFET pouhou změnou pevného napětí a tím změnou V GS.
Technika samoobjímání
V technice předpětí je do zdrojového pinu přidán jeden rezistor. Pokles napětí na zdrojovém rezistoru R2 vytvoří V GS pro zkreslení napětí. V této technice je proud brány opět nulový. Zdrojové napětí je určeno stejným zákonem ohmů V = I x R. Proto zdrojové napětí = Drain current x source rezistor. Nyní lze napětí hradla ke zdroji určit podle rozdílů mezi hradlovým napětím a zdrojovým napětím.
Protože hradlové napětí je 0 (tok proudu hradlem je 0, podle V = IR, hradlové napětí = hradlový proud x rezistor hradla = 0), V GS = 0 - hradlový proud x odpor zdroje. Není tedy potřeba žádný externí zdroj ovlivnění. Předpětí je vytvořeno samostatně pomocí poklesu napětí napříč zdrojovým rezistorem.
Předpětí potenciálního rozdělovače
V této technice se používá další rezistor a obvod je mírně upraven z techniky automatického předpětí, dělič potenciálního napětí pomocí R1 a R2 poskytuje požadované stejnosměrné předpětí pro JFET. Je třeba, aby pokles napětí na zdrojovém rezistoru byl větší než napětí hradla děliče rezistoru. Tímto způsobem zůstávají V GS záporné.
Takto je tedy JFET konstruován a předpjatý.