Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) als Schalter

Wie sein bipolarer Cousin kann der Feldeffekttransistor als Ein/Aus-Schalter verwendet werden, der die elektrische Leistung zu einer Last steuert. Beginnen wir unsere Untersuchung des JFET als Schalter mit unserer bekannten Schalter-/Lampenschaltung:

Da der gesteuerte Strom in einem JFET zwischen Source und Drain fließt, ersetzen wir die beiden Enden des Schalters in der obigen Schaltung durch die Source- und Drain-Anschlüsse eines JFET:

Wenn Sie es noch nicht bemerkt haben, sehen die Source- und Drain-Anschlüsse eines JFET auf dem Schaltplansymbol identisch aus. Anders als beim Bipolartransistor, bei dem der Emitter durch die Pfeilspitze deutlich vom Kollektor unterschieden wird, verlaufen die Source- und Drain-Leitungen eines JFET beide senkrecht in den Balken, der den Halbleiterkanal darstellt. Das kommt nicht von ungefähr, denn Source- und Drain-Leitungen eines JFET sind in der Praxis oft austauschbar! Mit anderen Worten, JFETs sind normalerweise in der Lage, Kanalströme in beide Richtungen zu verarbeiten, von Source zu Drain oder von Drain zu Source.

JFET als geöffneter Schalter

Jetzt brauchen wir in der Schaltung nur noch eine Möglichkeit, die Leitfähigkeit des JFET zu steuern. Wenn zwischen Gate und Source keine Spannung angelegt wird, ist der Kanal des JFET „offen“ und lässt den vollen Strom zur Lampe zu. Um die Lampe auszuschalten, müssen wir eine weitere Gleichspannungsquelle zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen des JFET wie folgt anschließen:

JFET als geschlossener Schalter

Durch Schließen dieses Schalters wird der Kanal des JFET „abgeklemmt“, wodurch er zum Abschalten gezwungen und die Lampe ausgeschaltet wird:

Beachten Sie, dass kein Strom durch das Tor fließt. Als in Sperrrichtung vorgespannter PN-Übergang steht er dem Stromfluss durch ihn fest entgegen. Als spannungsgesteuertes Gerät benötigt der JFET einen vernachlässigbaren Eingangsstrom. Dies ist eine vorteilhafte Eigenschaft des JFET gegenüber dem Bipolartransistor:Das Steuersignal benötigt praktisch keine Leistung.

Durch erneutes Öffnen des Steuerschalters sollte die in Sperrrichtung vorgespannte Gleichspannung vom Gate getrennt werden, wodurch der Transistor wieder eingeschaltet werden kann. Im Idealfall funktioniert es jedenfalls so. In der Praxis funktioniert dies möglicherweise überhaupt nicht:

Warum ist das? Warum öffnet sich der Kanal des JFET nicht wieder und lässt den Lampenstrom wie zuvor ohne Spannung zwischen Gate und Source durch? Die Antwort liegt im Betrieb des in Sperrrichtung vorgespannten Gate-Source-Übergangs. Der Verarmungsbereich innerhalb dieses Übergangs wirkt als isolierende Barriere, die das Gate von der Source trennt. Als solches besitzt es eine gewisse Kapazität in der Lage, ein elektrisches Ladungspotential zu speichern. Nachdem dieser Übergang durch Anlegen einer externen Spannung zwangsweise in Sperrrichtung vorgespannt wurde, neigt er dazu, diese Sperrspannung als gespeicherte Ladung zu halten, selbst nachdem die Quelle dieser Spannung getrennt wurde. Um den JFET wieder einzuschalten, muss die gespeicherte Ladung zwischen Gate und Source über einen Widerstand abgelassen werden:

Blutungswiderstand

Der Wert dieses Widerstands ist nicht sehr wichtig. Die Kapazität des Gate-Source-Übergangs des JFET ist sehr klein, sodass selbst ein ziemlich hochohmiger Ableitwiderstand eine schnelle RC-Zeitkonstante erzeugt, die es dem Transistor ermöglicht, mit geringer Verzögerung wieder zu leiten, sobald der Schalter geöffnet wird.

Wie beim Bipolartransistor spielt es keine Rolle, wo oder was die Steuerspannung herkommt. Wir könnten eine Solarzelle, ein Thermoelement oder jede andere Art von spannungserzeugendem Gerät verwenden, um die Spannung bereitzustellen, die die Leitung des JFET steuert. Alles, was von einer Spannungsquelle für den Betrieb des JFET-Schalters benötigt wird, ist ausreichend Spannung, um eine Abschnürung des JFET-Kanals zu erreichen. Dieser Wert liegt normalerweise im Bereich von einigen Volt DC und wird als Pinch-Off bezeichnet oder Abbruch Stromspannung. Die genaue Abschnürspannung für einen bestimmten JFET ist eine Funktion seines einzigartigen Designs und ist keine universelle Zahl wie 0,7 Volt für die Basis-Emitter-Übergangsspannung eines Silizium-BJT.

RÜCKBLICK:

• Feldeffekttransistoren steuern den Strom zwischen Source- und Drain-Anschlüssen durch eine zwischen Gate und Source angelegte Spannung. In einer Kreuzung Feldeffekttransistor (JFET), gibt es einen PN-Übergang zwischen Gate und Source, der normalerweise in Sperrrichtung vorgespannt ist, um den Source-Drain-Strom zu steuern.
• JFETs sind normalerweise eingeschaltete (normal gesättigte) Geräte. Das Anlegen einer Sperrspannung zwischen Gate und Source bewirkt, dass sich der Verarmungsbereich dieses Übergangs ausdehnt, wodurch der Kanal zwischen Source und Drain, durch den der kontrollierte Strom fließt, „abgeklemmt“ wird.
• Es kann erforderlich sein, einen „Bleed-Off“-Widerstand zwischen Gate und Source anzubringen, um die gespeicherte Ladung zu entladen, die sich über die natürliche Kapazität der Sperrschicht aufgebaut hat, wenn die Steuerspannung entfernt wird. Andernfalls kann eine Ladung verbleiben, um den JFET auch nach dem Trennen der Spannungsquelle im Abschaltmodus zu halten.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Junction-Feldeffekttransistoren (JFET)