JFET je tranzistor s efektom poľa spojovacej brány. Normálny tranzistor je prúdom riadené zariadenie, ktoré potrebuje prúd na predpätie, zatiaľ čo JFET je napäťovo riadené zariadenie. Rovnako ako MOSFET, ako sme videli v našom predchádzajúcom tutoriáli, JFET má tri terminály Gate, Drain a Source.
JFET je základným komponentom pre presnú reguláciu úrovne napätia v analógovej elektronike. Môžeme použiť JFET ako napäťovo riadené odpory alebo ako prepínač, alebo dokonca vyrobiť zosilňovač pomocou JFET. Je to tiež energeticky efektívna verzia, ktorá nahradí BJT. JFET poskytuje nízku spotrebu energie a pomerne nízke straty výkonu, čím zlepšuje celkovú účinnosť obvodu. Poskytuje tiež veľmi vysokú vstupnú impedanciu, čo je hlavná výhoda v porovnaní s BJT.
Existujú rôzne typy tranzistorov, v rodine FET existujú dva podtypy: JFET a MOSFET. O MOSFETe sme už hovorili v predchádzajúcom tutoriále, tu sa dozvieme viac o JFET.
Typy JFET
Rovnako ako MOSFET má dva podtypy - N Channel JFET a P Channel JFET.
Na obrázku vyššie je znázornený schematický model N kanálu JFET a J kanálu F kanálu P. Šípka označuje typy JFET. Šípka ukazujúca k bráne označuje, že JFET je N-kanál a na druhej strane šípka z brány označuje JFET P-kanála. Táto šípka tiež označuje polaritu spojenia PN, ktoré sa vytvára medzi kanálom a bránou. Je zaujímavé, že anglická mnemotechnická pomôcka je taká, že šípka zariadenia s N-kanálom označuje „Body i n “.
Prúd pretekajúci odtokom a zdrojom je závislý od napätia privedeného na bránu. Pre N kanál JFET je napätie hradla záporné a pre J kanál F kanálu P je napätie hradla kladné.
Konštrukcia JFET
Na obrázku vyššie vidíme základnú konštrukciu JFET. N-kanálový JFET pozostáva z materiálu typu P v substráte typu N, zatiaľ čo materiály typu N sa používajú v substráte typu p na vytvorenie JFET v kanáli P.
JFET je konštruovaný pomocou dlhého kanála polovodičového materiálu. V závislosti na procese výstavby, ak JFET obsahuje veľké množstvo nosičov pozitívneho náboja (označuje sa ako diera), je to JFET typu P a ak má veľký počet nosičov negatívneho náboja (označuje sa ako elektróny), nazýva sa to typ N JFET.
V dlhom kanáli polovodičového materiálu sa na každom konci vytvárajú ohmické kontakty, ktoré tvoria spojenie zdroja a odtoku. Spojenie PN je vytvorené na jednej alebo oboch stranách kanála.
Fungovanie JFET
Jedným z najlepších príkladov na pochopenie fungovania JFET je predstaviť si potrubie záhradnej hadice. Predpokladajme, že záhradná hadica poskytuje prietok vody cez ňu. Ak stlačíme hadicu, prietok vody bude menší a v určitom okamihu, ak ju úplne stlačíme, dôjde k nulovému prietoku vody. JFET funguje presne týmto spôsobom. Ak vymeníme hadicu za JFET a prietok vody za prúd a potom zostrojíme kanál nesúci prúd, mohli by sme prúdový prúd riadiť.
Ak cez bránu a zdroj nie je napätie, stane sa z kanála plynulá cesta, ktorá je doširoka otvorená pre tok elektrónov. Ale obrátená vec sa stane, keď je medzi bránou a zdrojom privedené napätie v opačnej polarite, čo spôsobí, že križovatka PN bude reverzne predpätá a kanál bude užší tým, že zvýši vrstvu vyčerpania a môže spôsobiť, že JFET bude v cut-off alebo pinch off regióne.
Na nasledujúcom obrázku vidíme režim nasýtenia a režim pinch off a budeme schopní pochopiť, že vrstva vyčerpania sa rozšírila a súčasný tok sa zmenšil.
Ak chceme JFET vypnúť, musíme poskytnúť zápornú bránu zdrojového napätia označenú ako V GS pre JFET typu N. Pre JFET typu P musíme poskytnúť pozitívny V GS.
JFET funguje iba v režime vyčerpania, zatiaľ čo MOSFET majú režim vyčerpania a vylepšenia.
Charakteristická krivka JFET
Na vyššie uvedenom obrázku je JFET predpätý prostredníctvom variabilného jednosmerného napájania, ktoré bude riadiť V GS JFET. Tiež sme aplikovali napätie na Odtok a Zdroj. Pomocou premennej V GS môžeme vykresliť IV krivku JFET.
Na vyššie uvedenom obrázku IV môžeme vidieť tri grafy pre tri rôzne hodnoty napätí V GS, 0V, -2V a -4V. Existujú tri rôzne regióny Ohmický, Saturačný a Rozpisový. Počas ohmickej oblasti funguje JFET ako rezistor riadený napätím, kde je tok prúdu riadený napätím, ktoré je na ňu privádzané. Potom sa JFET dostane do oblasti nasýtenia, kde je krivka takmer rovná. To znamená, že tok prúdu je dostatočne stabilný tam, kde by V DS nezasahoval do toku prúdu. Ale keď je V DS oveľa viac ako tolerancia, JFET sa dostane do poruchového režimu, kde je prúd nekontrolovaný.
Táto IV krivka je takmer rovnaká aj pre P kanál JFET, existuje však len málo rozdielov. JFET prejde do režimu prerušenia, keď sú V GS a Pinch napätie alebo (V P) rovnaké. Rovnako ako vo vyššie uvedenej krivke, pre N kanál JFET sa zvyšuje odtokový prúd, keď sa zvyšuje V GS. Ale pre JFET v kanáli P sa odtokový prúd znižuje, keď sa zvyšuje V GS.
Ovplyvnenie JFET
Na správne ovplyvnenie JFET sa používajú rôzne typy techník. Z rôznych techník sú široko používané tri nasledujúce:
- Opravená technika ovplyvnenia jednosmerného prúdu
- Technika samopredpojania
- Ovplyvnenie potenciálneho rozdeľovača
Opravená technika ovplyvnenia jednosmerného prúdu
V technike fixného jednosmerného predpätia N kanálu JFET je brána JFET spojená tak, že V GS JFET zostáva neustále negatívny. Pretože vstupná impedancia JFET je veľmi vysoká, vo vstupnom signáli nie sú pozorované žiadne účinky zaťaženia. Tok prúdu cez odpor R1 zostáva nulový. Keď aplikujeme AC signál na vstupný kondenzátor C1, signál sa objaví cez bránu. Teraz, ak vypočítame úbytok napätia na R1, podľa Ohmovho zákona to bude V = I x R alebo V pokles = hradlový prúd x R1. Pretože prúd prúdiaci do brány je 0, pokles napätia cez bránu zostáva nulový. Takže pomocou tejto techniky predpätia môžeme riadiť odtokový prúd JFET iba zmenou fixného napätia, čím sa zmení V GS.
Technika samopredpojania
V technike samočinného predpätia sa cez zdrojový pin pridá jeden rezistor. Pokles napätia cez zdrojový rezistor R2 vytvorí V GS na predpätie napätia. V tejto technike je prúd brány opäť nulový. Zdrojové napätie je určené rovnakým ohmovým zákonom V = I x R. Preto zdrojové napätie = odtokový prúd x rezistor zdroja. Teraz môže byť napätie hradla k zdroju určené na základe rozdielov medzi napätím hradla a napätím zdroja.
Pretože hradlové napätie je 0 (pretože prúd hradlového prúdu je 0, podľa V = IR, hradlové napätie = hradlový prúd x hradlový odpor = 0), V GS = 0 - hradlový prúd x Odpor zdroja. Nie je teda potrebný žiadny externý zdroj ovplyvnenia. Predpätie sa vytvára samo pomocou poklesu napätia na zdrojovom rezistore.
Ovplyvnenie potenciálneho rozdeľovača
V tejto technike sa používa ďalší rezistor a obvod je mierne upravený z techniky automatického predpätia, delič potenciálneho napätia pomocou R1 a R2 poskytuje požadované jednosmerné predpätie pre JFET. Je potrebné, aby pokles napätia na zdrojovom rezistore bol väčší ako hradlové napätie deliča odporu. Takto zostávajú V GS negatívne.
Takto je teda zostavený a predpojatý JFET.