Einführung in Junction-Feldeffekttransistoren (JFET)

Ein Transistor ist ein lineares Halbleiterbauelement, das den Strom durch Anlegen eines elektrischen Signals mit geringerer Leistung steuert. Transistoren können grob in zwei Hauptabteilungen eingeteilt werden:bipolare und Feldeffekttransistoren. Im letzten Kapitel haben wir Bipolartransistoren untersucht, die einen kleinen Strom verwenden, um einen großen Strom zu steuern. In diesem Kapitel stellen wir das allgemeine Konzept des Feldeffekttransistors vor – ein Gerät, das eine kleine Spannung zur Stromsteuerung verwendet – und konzentrieren uns dann auf einen bestimmten Typ:den Sperrschicht-Feldeffekttransistor. Im nächsten Kapitel werden wir eine andere Art von Feldeffekttransistor untersuchen, die Variante mit isoliertem Gate.

Alle Feldeffekttransistoren sind eher unipolare als bipolare Bauelemente. Das heißt, der Hauptstrom durch sie besteht entweder aus Elektronen durch einen N-Typ-Halbleiter oder Löchern durch einen P-Typ-Halbleiter. Dies wird deutlicher, wenn ein physisches Diagramm des Geräts angezeigt wird:

N-Kanal-JFET

In einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor oder JFET fließt der gesteuerte Strom je nach Fall von Source zu Drain oder von Drain zu Source. Die Steuerspannung wird zwischen Gate und Source angelegt. Beachten Sie, dass der Strom auf seinem Weg zwischen Source und Drain keinen PN-Übergang passieren muss:Der Pfad (als Kanal bezeichnet) ist ein ununterbrochener Block aus Halbleitermaterial. Im gerade gezeigten Bild ist dieser Kanal ein N-Typ-Halbleiter. P-Kanal-JFETs werden ebenfalls hergestellt:

P-Kanal-JFET

Im Allgemeinen werden N-Kanal-JFETs häufiger verwendet als P-Kanal. Die Gründe dafür haben mit unklaren Details der Halbleitertheorie zu tun, auf die ich in diesem Kapitel lieber nicht eingehen möchte. Wie bei Bipolartransistoren glaube ich, dass der beste Weg, die Verwendung von Feldeffekttransistoren einzuführen, darin besteht, wenn möglich, Theorie zu vermeiden und sich stattdessen auf die Betriebseigenschaften zu konzentrieren. Der einzige praktische Unterschied zwischen N- und P-Kanal-JFETs, mit dem Sie sich jetzt beschäftigen müssen, ist die Vorspannung des PN-Übergangs, der zwischen dem Gate-Material und dem Kanal gebildet wird.

Ohne Spannung zwischen Gate und Source ist der Kanal ein weit offener Pfad für den Stromfluss. Wenn jedoch zwischen Gate und Source eine Spannung mit einer solchen Polarität angelegt wird, dass sie den PN-Übergang in Sperrrichtung vorspannt, wird der Fluss zwischen Source- und Drain-Anschlüssen begrenzt oder reguliert, genau wie bei Bipolartransistoren mit einem eingestellten Basisstrom. Die maximale Gate-Source-Spannung „schnürt“ den gesamten Strom durch Source und Drain ab, wodurch der JFET in den Abschaltmodus gezwungen wird. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass sich der Verarmungsbereich des PN-Übergangs unter dem Einfluss einer Sperrspannung ausdehnt und schließlich die gesamte Breite des Kanals einnimmt, wenn die Spannung groß genug ist. Diese Aktion kann mit der Reduzierung des Flüssigkeitsflusses durch einen flexiblen Schlauch durch Zusammendrücken verglichen werden:Mit genügend Kraft wird der Schlauch genug zusammengezogen, um den Fluss vollständig zu blockieren.

Beachten Sie, dass dieses Betriebsverhalten dem des Bipolartransistors genau entgegengesetzt ist. Bipolartransistoren sind selbstsperrende Geräte:kein Strom durch die Basis, kein Strom durch den Kollektor oder den Emitter. JFETs hingegen sind normalerweise eingeschaltete Bauelemente:Keine an das Gate angelegte Spannung lässt maximalen Strom durch Source und Drain zu. Beachten Sie auch, dass die durch einen JFET zulässige Strommenge durch ein Spannungssignal und nicht wie bei Bipolartransistoren durch ein Stromsignal bestimmt wird. Tatsächlich sollte, wenn der Gate-Source-PN-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist, nahezu kein Strom durch die Gateverbindung fließen. Aus diesem Grund klassifizieren wir den JFET als spannungsgesteuertes Bauelement und den Bipolartransistor als stromgesteuertes Bauelement.

Wenn der Gate-Source-PN-Übergang mit einer kleinen Spannung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, „öffnet“ sich der JFET-Kanal etwas weiter, um größere Ströme durchzulassen. Der PN-Übergang eines JFET ist jedoch nicht dafür ausgelegt, selbst einen nennenswerten Strom zu verarbeiten, und es wird daher nicht empfohlen, den Übergang unter keinen Umständen in Durchlassrichtung vorzuspannen.

Dies ist ein sehr kompakter Überblick über den JFET-Betrieb. Im nächsten Abschnitt untersuchen wir die Verwendung des JFET als Schaltgerät.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Junction-Feldeffekttransistoren (JFET)
• JFET-Verstärker-Arbeitsblatt