Tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune, sau JFET, este un dispozitiv semiconductor unipolar cu trei terminale, disponibil în configurații de canal-N și canal-P.

În tutorialele Tranzistor bipolar cu joncțiuni am văzut cum curentul de colector de ieșire al tranzistorului este proporțional cu curentul de intrare care intră în terminalul Bază al dispozitivului, transformând astfel tranzistorul bipolar într-un dispozitiv operat în "CURENT" (model Beta) deoarece un curent mai mic poate fi utilizat pentru comutarea unui curent de sarcină mai mare.

Tranzistorul cu efect de câmp, sau pur și simplu FET, utilizează tensiunea care este aplicată la terminalul lui de intrare, numit Gate (poartă) pentru a controla curentul care trece prin el, rezultând curentul de ieșire proporțional cu tensiunea de intrare. Deoarece funcționarea lor se bazează pe un câmp electric (de aici numele efect de câmp) generat de tensiunea de intrare a porții, acest lucru transformă tranzistorul cu efect de câmp într-un dispozitiv acționat în "TENSIUNE".

FET este un dispozitiv semiconductor unipolar cu trei terminale, care are caracteristici foarte asemănătoare cu cele ale unui tranzistor bipolar omolog. De exemplu, eficiență ridicată, funcționare instantanee, robust și ieftin și poate fi utilizat în majoritatea aplicațiilor de circuite electronice pentru a înlocui tranzistoarele cu joncțiune bipolare (BJT) echivalente.

FET poate fi făcut mult mai mic decât un tranzistor BJT echivalent și împreună cu consumul lor redus de putere și disiparea puterii le face ideale pentru utilizarea în circuite integrate, cum ar fi gama CMOS de cipuri logice digitale.

Ne amintim din tutorialele anterioare că există două tipuri principale de construcție tranzistor bipolar, NPN și PNP, care descriu în principiu aranjamentul fizic al materialelor semiconductoare de tip P și N din care sunt fabricate. Acest lucru este valabil și pentru FET, deoarece există, la fel, două clasificări de bază ale FET, numit FET canal-N și FET canal-P.

FET este un dispozitiv cu trei terminale care este construit fără joncțiuni PN în calea principală de transport a curentului dintre terminalele Drain (drenă) și Source (sursă). Aceste terminale corespund, ca funcție, colectorului și respectiv emitorul tranzistorului bipolar. Calea curentului dintre aceste două terminale se numește "canal" care poate fi realizat fie dintr-un material semiconductor de tip P, fie dintr-unul de tip N.

Controlul curentului care curge prin acest canal este obținut prin variația tensiunii aplicate porții. După cum sugerează și numele acestora, tranzistoarele bipolare sunt dispozitive "bipolare", deoarece funcționează cu ambele tipuri de purtători de sarcină, goluri și electroni. FET, pe de altă parte, este un dispozitiv "unipolar" care depinde doar de conducția electronilor (canal-N) sau a golurilor (canal P).

FET are un avantaj major asupra tranzistorului bipolar standard, în sensul că impedanța lor de intrare (Rin) este foarte mare (mii de Ohmi), în timp ce la BJT este relativ scăzută. Această impedanță de intrare foarte mare le face foarte sensibile la semnalele de tensiune de intrare, dar prețul acestei sensibilități ridicate înseamnă, de asemenea, că pot fi ușor deteriorate de electricitatea statică.

Există două tipuri principale de tranzistor cu efect de câmp, tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune sau JFET și tranzistor cu efect de câmp cu poartă-izolată sau IGFET, care este cunoscut mai curând ca tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor sau MOSFET.

Tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune

Am văzut anterior că un tranzistor cu joncțiune bipolar este construit folosind două joncțiuni-PN în calea principală de transport a curentului între terminalele Emitor și Colector. Tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune (JUGFET sau JFET) nu are joncțiuni-PN ci are o bucată îngustă de material semiconductor de înaltă rezistivitate formând un „canal“ de tip-N sau de tip-P de siliciu pentru ca purtătorii majoritari să curgă spre două conexiuni electrice ohmice la ambele capete, denumite în mod obișnuit Drain (drenă) și respectiv Source (sursă).

Există două configurații de bază ale tranzistorului cu efect de câmp cu joncțiune, JFET cu canal-N și JFET cu canal-P. Canalul-N al JFET este dopat cu impurități donor, ceea ce înseamnă că fluxul de curent prin canal este negativ (de aici termenul canal-N) sub formă de electroni.

De asemenea, canalul-P al JFET este dopat cu impurități acceptoare, ceea ce înseamnă că fluxul de curent prin canal este pozitiv (deci, termenul canal-P) sub formă de goluri. Canalul-N al JFET are o conductivitate mai mare (rezistență mai mică) decât tipul de canal-P echivalent, deoarece electronii au o mobilitate mai mare printr-un conductor în comparație cu golurile. Acest lucru face JFET-ul canal-N un conductor mai eficient în comparație cu omologul lui de canal P.

Am spus anterior că există două conexiuni electrice ohmice la fiecare capăt al canalului numite Drenă și Sursă. Dar în cadrul acestui canal există o a treia conexiune electrică numită terminalul Poartă, iar aceasta poate fi de asemenea un material tip-P sau tip-N, care formează o joncțiune PN cu canalul principal.

Relațiile dintre conexiunile unui tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune și ale unui tranzistor cu joncțiune bipolar sunt comparate mai jos.

Compararea conexiunilor dintre un JFET și un BJT

Simbolurile și construcția de bază pentru ambele configurații ale JFET sunt prezentate mai jos.

"Canalul" semiconductor al tranzistorului cu efect de câmp cu joncțiune este o cale rezistivă prin care o tensiune VDS determină o circulație de curent ID și astfel tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune poate conduce curent la fel de bine în ambele direcții. Deoarece canalul este rezistiv în natură, un gradient de tensiune este astfel format în lungul canalului, această tensiune devenind mai puțin pozitivă pe măsură ce trecem de la terminalul Drenă la terminalul Sursă.

Rezultatul este că joncțiunea-PN are, prin urmare, o polarizare inversă ridicată la terminalul Drenă și o polarizare inversă mai mică la terminalul Sursă. Această polarizare determină formarea unui "strat de epuizare" în interiorul canalului a cărui lățime crește cu polarizarea.

Amplitudinea curentului care circulă prin canal între terminalele Drenă și Sursă este controlată de o tensiune aplicată terminalului Gate (poartă), care este polarizată invers. Într-un JFET cu canal-N această tensiune de poartă este negativă, în timp ce pentru JFET cu canal-P, tensiunea de poartă este pozitivă.

Diferența principală dintre dispozitivele JFET și BJT este că atunci când joncțiunea JFET este polarizată invers, curentul de poartă este practic zero, în timp ce curentul de bază al BJT este întotdeauna o valoare mai mare ca zero.

Polarizarea unui JFET cu canal-N

Diagrama secțiunii transversale de mai sus prezintă un canal semiconductor de tip-N cu o regiune tip-P numită Poartă, difuzată în canalul tip-N care formează o joncțiune-PN polarizată invers și ea este joncțiunea care formează regiunea de epuizare din jurul zonei Porții când nu se aplică tensiuni externe. JFET-urile sunt, prin urmare, cunoscute ca dispozitive cu mod de epuizare.

Această regiune de epuizare produce un gradient de potențial care are o grosime variabilă în jurul joncțiunii-PN și limitează curgerea curentului prin canal prin reducerea lățimii sale efective și astfel crescând rezistența globală a canalului însuși.

Atunci, vedem că porțiunea cea mai epuizată a regiunii de epuizare se află între Poartă și Drenă, în timp ce zona cea mai puțin epuizată se află între Poartă și Sursă. Deci, canalul JFET-ului conduce cu tensiune de polarizare aplicată zero (adică, regiunea de epuizare are aproape lățime zero).

Dacă nu există o tensiune externă a porții (VG = 0) și o mică tensiune (VDS) este aplicată între Drenă și Sursă, curentul de saturație maxim (IDSS) va curge prin canal de la Drenă către Sursă limitat numai de zonă mică de epuizare din jurul joncțiunilor.

În cazul în care o mică tensiune negativă (-VGS) este acum aplicată la poartă, dimensiunea regiunii de epuizare începe să crească, reducând zona efectivă totală a canalului și reducând astfel curentul care curge prin acesta, un fel de efect de "strângere" are loc. Astfel, prin aplicarea unei tensiuni de polarizare inversă crește lățimea regiunii de epuizare, care, la rândul ei, reduce conducția canalului.

Deoarece joncțiunea-PN este polarizată invers, un mic curent va curge în conexiunea porții. Pe măsură ce tensiunea de poartă (-VGS) devine mai negativă, lățimea canalului scade până când nu mai curge curent între Drenă și Sursă, iar FET se spune că este "blocat" (similar cu regiunea cut-off pentru un BJT). Tensiunea la care canalul se închide este denumită "tensiune de blocare" (VP-pinch-off voltage).

Blocarea canalului JFET

În această regiune de blocare, tensiunea porții VGS controlează curentul canalului și VDS are un efect redus sau de loc.

Rezultatul este că FET acționează mai mult ca un rezistor controlat de tensiune, care are rezistență zero atunci când VGS= 0 și rezistența maximă "ON" (RDS) atunci când tensiunea Porții este foarte negativă. În condiții normale de funcționare, Poarta JFET este mereu negativă în raport cu Sursa.

Este esențial ca tensiunea Porții să nu fie niciodată pozitivă, deoarece, dacă ea este, tot curentul din canal va curge la Poartă și nu la Sursă, rezultatul este deteriorarea JFET-ului.

Tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune canal-P funcționează exact la fel ca și canalul-N de mai sus, cu următoarele excepții: 1). Curentul canalului este pozitiv datorită golurilor, 2). Polaritatea tensiunii de polarizare trebuie inversată.

Caracteristicile de ieșire ale unui JFET cu canal-N cu poarta scurtcircuitată la sursă sunt date de:

Curbele caracteristice de ieșire V-I ale unei joncțiuni tipice FET

Tensiunea VGS aplicată la Poartă controlează curentul dintre terminalele Drenă și Sursă. VGS se referă la tensiunea aplicată între Poartă și Sursă în timp ce VDS se referă la tensiunea aplicată între Drenă și Sursă.

Deoarece un tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune este un dispozitiv controlat de tensiune, "NU curge curent în poartă!" Atunci curentul de Sursă care iese din dispozitiv este egal cu curentul de Drenă care curge în el și deci ID = IS.

Exemplul curbelor caracteristice arătate mai sus, prezintă cele patru regiuni diferite de funcționare pentru un JFET și acestea sunt date de:

• Regiunea ohmică - Când VGS = 0 stratul de epuizare al canalului este foarte mic și JFET acționează ca un rezistor controlat de tensiune.

• Regiunea de tăiere cut-off - Aceasta este cunoscută ca regiunea de blocare, unde tensiunea Porții VGS este suficientă pentru a determina JFET să acționeze ca un circuit deschis, deoarece rezistența canalului este maximă.

• Saturație sau regiunea activă - JFET devine un bun conductor și este controlat de tensiunea Gate-Source, (VGS), în timp ce tensiunea Drenă-Sursă (VDS) are un efect redus sau de loc.

• Regiunea de străpungere - tensiunea între Drenă și Sursă (VDS) este suficient de mare pentru a face canalul rezistiv al JFET să se străpungă și să treacă curentul maxim necontrolat.

Curbele caracteristice pentru un tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune canal-P sunt aceleași ca cele de mai sus, cu excepția curentului de Drenă ID care scade cu creșterea tensiunii Poartă-Sursă pozitivă, VGS.

Curentul de Drenă este zero, atunci când VGS = VP. Pentru funcționarea normală, VGS este polarizat să fie undeva între VP și 0. Atunci putem calcula curentul de Drenă ID pentru orice punct de polarizare dat în regiunea de saturație sau activă după cum urmează:

Curentul de drenă în regiunea activă

Rețineți că valoarea curentului de Drenă va fi între zero (blocat) și IDSS (curent maxim). Prin cunoașterea curentului de Drenă ID și a tensiunii Drenă-Sursă VDS, rezistența canalului este dată de:

Rezistența canalului Drenă-Sursă

unde: gm este "câștigul de transconductanță" deoarece JFET este un dispozitiv controlat de tensiune, și reprezintă rata de schimbare a curentului de Drenă în raport cu variația tensiunii Gate-Source.

Modele de FET

Ca și tranzistorul cu joncțiune bipolar, tranzistorul cu efect de câmp este un dispozitiv cu trei terminale capabil de trei moduri diferite de funcționare și, prin urmare, poate fi conectat într-un circuit într-una din următoarele configurații.

Configurația sursă comună (CS)

În configurația Sursă-comună (similară emitorului-comun), intrarea este aplicată Porții, iar ieșirea este preluată din Drenă așa cum este arătat. Acesta este modul cel mai obișnuit de funcționare a FET datorită impedanței sale mari de intrare și amplificării de tensiune bună, iar amplificatoarele cu Sursă comună sunt utilizate pe scară largă.

Modul Sursă-comună de conectare al FET este folosit, în general, în amplificatoare de frecvență audio și în preamplificatoare și etaje cu impedanță de intrare mare. Fiind un circuit de amplificare, semnalul de ieșire este "defazat" cu 180^o de intrare.

Configurația poartă comună (CG)

În configurația Poartă-comună (similară cu baza-comună), intrarea este aplicată Sursei și ieșirea este preluată din Drenă cu Poarta conectată direct la masă (0V) așa cum se arată. Caracteristica de impedanță ridicată de intrare a conexiunii anterioare este pierdută în această configurație, deoarece poarta comună are o impedanță redusă de intrare, dar o impedanță de ieșire mare.

Acest tip de configurație FET poate fi utilizat în circuite de înaltă frecvență sau în circuite de adaptare de impedanță unde o impedanță de intrare scăzută trebuie să fie adaptată la o impedanță de ieșire mare. Ieșirea este "în fază" cu intrarea.

Configurația drenă comună (CD)

În configurația Drenă-comună (similară cu colector-comun), intrarea este aplicată Porții, iar ieșirea este preluată de la Sursă. Configurația drenă-comună sau "repetor pe Sursă" are o impedanță de intrare ridicată și o impedanță de ieșire scăzută și un câștig de tensiune aproape de unitate, deci este folosită în amplificatoarele buffer. Câștigul de tensiune al configurației repetorului pe sursă este mai mic decât unitatea, iar semnalul de ieșire este "în fază", 0^o cu semnalul de intrare.

Acest tip de configurație este denumit "Drenă-comună" deoarece nu există semnal disponibil la conexiunea Drenă, tensiunea prezentă + VDD oferă doar o polarizare. Ieșirea este în fază cu intrarea.

Amplificator JFET

La fel ca și tranzistorul cu joncțiune bipolar, JFET pot fi folosit pentru a realiza circuite amplificatoare de clasă A cu un singur etaj cu amplificator JFET cu Sursă-comună, caracteristicile fiind foarte asemănătoare circuitului BJT cu emitor comun. Amplificatoarele JFET au ca avantaj principal, față de amplificatoarele BJT, impedanța lor ridicată de intrare, care este controlată de rețeaua rezistivă de polarizare a porții, formată de R1 și R2 așa cum se arată.

Polarizarea unui amplificator JFET

Acest circuit amplificator cu Sursă-comună (CS) este polarizat în modul de clasă "A" de rețeaua divizoare de tensiune formată de rezistențele R1 și R2. Tensiunea pe rezistorul sursei RS este în general stabilită să fie aproximativ un sfert din VDD, (VDD/4), dar poate fi orice valoare rezonabilă.

Tensiunea necesară de poartă poate fi apoi calculată din această valoare RS. Deoarece curentul porții este zero (IG = 0) putem seta tensiunea statică DC dorită prin selectarea corectă a rezistoarelor R1 și R2.

Controlul curentului de Drenă printr-un potențial negativ al porții face ca tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune să fie util ca un comutator și este esențial ca tensiunea porții să nu fie niciodată pozitivă pentru un JFET cu canal-N, deoarece curentul din canal va curge către poartă și nu la Drenă, ducând la deteriorarea JFET. Principiile de operare pentru un JFET cu canal-P sunt aceleași ca și pentru JFET cu canal-N, cu excepția că polaritatea tensiunilor trebuie inversată.

În următoarea tutorial despre tranzistori , vom analiza un alt tip de FET numit un MOSFET a cărui conexiune Poartă este complet izolată de canalul principal de transport al curentului.

REFERINȚE:

Tranzistor cu efect de câmp