Transistor ad effetto di campo a giunzione
I transistor a effetto di campo di giunzione sono transistor basati su semiconduttori controllati in tensione. Si tratta di transistor unidirezionali con tre terminali; scarico, sorgente e porta. I JFET non hanno giunzioni PN, ma sono composti da canali di materiali semiconduttori.
Costruzione e classificazioni
I JFET hanno un ampio canale per il flusso dei portatori di carica maggioritari. Questo canale è noto come substrato. Il substrato può essere di materiale di tipo P o di tipo N. Due contatti esterni noti come contatti ohmici sono posizionati sulle due estremità del canale. I JFET sono classificati in base al materiale semiconduttore del substrato nella loro costruzione.
Transistor JFET a canale N
Il canale è costituito da materiale di impurità di tipo N, mentre i cancelli sono composti da materiale di impurità di tipo P. Materiale di tipo N significa che le impurità pentavalenti sono state drogate e la maggior parte dei portatori di carica sono elettroni liberi nel canale. La costruzione di base e la presentazione simbolica dei JFET a canale N sono mostrate di seguito:
Transistor JFET a canale P
Il canale è composto da materiale di impurità di tipo P mentre i cancelli sono composti da materiale di impurità di tipo N. Canale P significa che le impurità trivalenti sono state drogate nel canale e che i portatori di carica maggioritari sono buchi. La costruzione di base e la presentazione simbolica del JFET a canale P sono mostrate di seguito:
Funzionamento dei JFET
I JFET sono spesso descritti con l'analogia del tubo dell'acqua. Il flusso dell'acqua attraverso i tubi è analogo al flusso degli elettroni attraverso i canali dei JFET. La compressione del tubo dell'acqua determina la quantità di flusso d'acqua. Allo stesso modo, nel caso dei JFET, l'applicazione di tensioni attraverso i terminali di gate decide il restringimento o l'ampliamento del canale per il movimento delle cariche dalla sorgente al drain.
Quando viene applicata la tensione di polarizzazione inversa tra gate e source, il canale si restringe mentre lo strato di svuotamento aumenta. Questa modalità di funzionamento è chiamata modalità pinch-off. Questo tipo di comportamento del canale è rappresentato di seguito:
Curva delle caratteristiche JFET
I JFET sono dispositivi in modalità di esaurimento, il che significa che operano sull'ampliamento o sul restringimento degli strati di esaurimento. Per analizzare le modalità operative complete, viene applicata la seguente disposizione di polarizzazione su un JFET a canale N.
Ai terminali JFET vengono applicate due diverse tensioni di polarizzazione. Il VDS viene applicato tra drain e source mentre il VGS viene applicato tra gate e source come mostrato nella figura sopra.
JFET funzionerà in quattro diverse modalità operative, come discusso di seguito.
1: Modalità ohmica
La modalità ohmica è uno stato normale senza tensioni di polarizzazione applicate ai suoi terminali. Pertanto, VGS=0 in modalità ohmica. Lo strato di esaurimento deve essere molto sottile e JFET funziona come un elemento ohmico come un resistore.
2: Modalità pinch-off
Nella modalità di interruzione, viene applicata una tensione di polarizzazione sufficiente tra gate e source. La tensione di polarizzazione inversa applicata allunga la regione di svuotamento al livello massimo e pertanto il canale si comporta come un interruttore aperto che resiste al flusso di corrente.
3: Modalità Saturazione
La tensione di polarizzazione del gate e della sorgente controlla il flusso di corrente attraverso il canale del JFET. La corrente varia al variare della tensione di polarizzazione. La tensione di polarizzazione di drain e source ha un effetto trascurabile in questa modalità.
4: Modalità di ripartizione
La tensione di polarizzazione di drain e source aumenta fino a un livello che rompe lo strato di esaurimento nel canale dei JFET. Ciò porta al massimo flusso di corrente attraverso il canale.
Espressioni matematiche per i parametri JFET
Nelle modalità di saturazione, i JFET entrano in modalità conduttore in cui la tensione varia la corrente. Pertanto, è possibile valutare la corrente di drenaggio. L’espressione per valutare la corrente di drain è data da:
Il canale si allarga o si restringe con l'applicazione delle tensioni di gate. La resistenza del canale rispetto all'applicazione della tensione drain-source è espressa come:
L'RDS può anche essere calcolato attraverso il guadagno di transconduttanza, gm:
Configurazioni di JFET
I JFET possono essere collegati in vari modi con le tensioni di ingresso. Queste configurazioni sono note come configurazioni di sorgente comune, cancello comune e drenaggio comune.
Configurazione della sorgente comune
Nella configurazione con sorgente comune, la sorgente del JFET è messa a terra e l'ingresso è collegato al terminale di gate mentre l'uscita viene prelevata dallo scarico. Questa configurazione offre funzioni di impedenza di ingresso elevata e amplificazione di tensione. Questa configurazione della modalità amplificatore è la più comune di tutte le configurazioni JFET. L'uscita ottenuta è sfasata di 180 gradi rispetto all'ingresso.
Configurazione del cancello comune
In una configurazione a gate comune, il gate è messo a terra mentre l'ingresso è collegato alla sorgente e l'uscita viene prelevata dallo scarico. Poiché il gate è collegato a terra, la configurazione ha un'impedenza di ingresso bassa ma un'impedenza più elevata in uscita. L'output ottenuto è in fase con l'input:
Configurazione di scarico comune
In un drain comune, l'ingresso è collegato al gate mentre l'uscita è collegata al terminale source. Questa configurazione offre anche una bassa impedenza di ingresso e un'impedenza di uscita più elevata proprio come la configurazione a porta comune, ma qui il guadagno di tensione è approssimativamente pari all'unità.
Questa configurazione corrisponde anche alla sorgente comune in cui l'ingresso è collegato al gate, ma la configurazione della sorgente comune ha un guadagno inferiore all'unità.
Applicazione: configurazione dell'amplificatore JFET
I JFET possono essere fatti funzionare come amplificatori di Classe A quando il terminale di gate è collegato a una rete di divisori di tensione. Una tensione esterna viene applicata al terminale sorgente, che è per lo più configurato per essere un quarto del VDD nel circuito sottostante.
La tensione sorgente può quindi essere espressa come:
Inoltre, la tensione della sorgente può essere calcolata tramite l'espressione seguente:
La corrente di drenaggio può essere calcolata dalla configurazione di cui sopra come di seguito:
La tensione di gate può essere ottenuta in funzione dei valori dei resistori R1 e R2 come fornito di seguito.
Esempio 1: calcolo di V GG
Se V GS(spento) =-8V, I DSS =24 mA per JFET nella configurazione seguente, calcolare V GG come mostrato in figura quando R D =400.
Da
Quanto sopra sarà il valore minimo di VDS affinché JFET funzioni nella regione di corrente costante, pertanto:
Anche,
Applicando KVL al circuito di scarico:
Esempio 2: determinare il valore della corrente di drenaggio
Determinare il valore della corrente di drenaggio quando VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA per la configurazione JFET inferiore.
L'espressione per la corrente di drenaggio è:
Conclusione
I transistor a effetto di campo a giunzione sono tre dispositivi semiconduttori terminali che funzionano con il comportamento delle regioni di esaurimento in diverse modalità di funzionamento. Non hanno giunzioni PN, ma sono costituiti da canali di materiali semiconduttori.