دانلود ترانزیستور اثر میدانی FET

فصل اول

مشخصات JFET

1ـ1 مقدمه

ترانزیستور اثر میدانی (یا به اختصار FET) قطعه‌ای سه پایانه است که در موارد بسیاری بکار می‌رود و در مقیاس وسیعی با ترانزیستور BJT رقابت می‌کند. اگرچه اختلافات مهمی بین این دو نوع قطعه وجود دارد اما تشابه بسیاری نیز بین آنها وجود دارد که در بخشهای بعد به آن اشاره خواهد شد.

اختلاف نخست بین او دو نوع ترانزیستور در آن است که ترانزیستور BJT همانگونه که در شکل (الف 1ـ1) نشان داده شد یک قطعه کنترل جریان است، در حالیکه ترانزیستور JFET همانگونه که در شکل (ب 1ـ1) دیده می‌شود یک قطعه کنترل ولتاژ است. به بیان دیگر، جریان I_C در شکل (الف 1ـ1) تابع مستقیم مقدار I_B است. در FET جریان I تابعی از ولتاژ V_GS است که مطابق شکل (ب 1ـ1) به ورودی مدار اعمال می‌شود. در هر حالت جریان مدار خروجی با یک پارامتر ورودی کنترل می‌شود. در یک حالت بوسیله جریان و در دیگری بوسیله ولتاژ اعمال شده.

 

شکل (1ـ1) (الف) تقویت کننده کنترل جریان (ب) تقویت کننده کنترل ولتاژ

درست مانند ترانزیستورهای npn و pnp قطبی، ترانزیستورهای اثر میدانی نیز از دو نوع کانال n و کانال p هستند. از اینرو، مهم است به خاطر داشته باشید که ترانزیستور BJT یک قطعه دو قطبی (bipolar) است. یعنی میزان هدایت در آن تابع دو نوع حامل است: الکترونها و حفره‌ها. FET قطعه‌ای تک‌قطبی است که فقط به هدایت اکلترون در (کانال n) و یا حفره (کانال p) وابسته است.

عبارت «اثر میدانی در نام این ترانزیستور با خود توضیحاتی را بهمراه دارد. ما همه با توانایی یک مغناطیس دائمی آشنا هستیم که براده‌های فلزی را بدون تماس واقعی به سوی خود می‌کشد. میدان مغناطیسی یک مغناطیس دائمی براده‌های آهن را در امتداد خطوط شار مغناطیسی جذب می‌کند. در FET، بوسیله بارهای آن میدان الکتریکی بوجود می‌آید که مسیر هدایت جریان خروجی را کنترل می‌کند بدون تماس مستقیم بین کنترل کننده و کمیتهای کنترل شونده.

این تمایل طبیعی است که دومین قطعه را با تعدادی از کاربردهای مشابه قطعه اول معرفی کرده و برخی مشخصه‌های آن را با هم مقایسه کنیم. یکی از مهمترین شاخصه‌ای FET، امپدانس ورودی زیاد آن است. مقاومت ورودی آن در اندازه‌های 1 تا چند صد مگااهم از مقاومت ورودی ترانزیستور BJT بیشتر می‌شود. و این شاخصه‌ای است که در طراحی سیستمهای تقویت ac خطی بسیار مهم است. به به عبارت دیگر، با ولتاژ اعمال شده یکسان تغییر در جریان خروجی معمولاً برای BJT بیشتر از FETها است. به همین دلیل، معمولاً بهره ولتاژ ac تقویت کننده‌های BJT خیلی بیشتر از FETهاست. بطور کلی، FETها در مقابل حرارت با ثبات‌تر از BJTها هستند. FETها معمولاً از نظر ساختمان از BJTها کوچکترند و این امر بطور ویژه کاربردشان را در تراشه‌های مدار مجتمع (آی‌سی) کارآمد می‌سازد. مشخصه‌های ساختمان برخی FETها در بکارگیری آنها بسیار موثر است.

دو نوع FET در این فصل معرفی می‌شود: ترانزیستور اثر میدانی پیوندی (JFET) و ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز (MOS-FET)، دسته MOSFET خود به دو نوع تهی و افزایشی تقسیم می‌شوند که هر دو نوع آن شرح داده می‌شوند. ترانزیستور MOSFET یکی از مهمترین قطعات مورد استفاده در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع کامپیوترهاست. ثبات حرارتی، و دیگر مشخصه‌های اصلی آنها، کاربردشان را در طراحی مدارهای کامپیوتری متداول ساخته است.

 

2ـ1ـ ساختمان و مشخصه‌های JFETها

همانگونه که پیش از این نشان داده شد، JFET یک قطعه سه پایانه است که یک پایانه آن قادر است جریان بین دو پایانه دیگر را کنترل کند. در ترانزیستور JFET، قطعه با کانال n به مثابه قطعه اصلی و مهم به تفصیل شرح داده خواهد شد ولی بخش‌هایی برای توضیح JFET کانال p نیز اختصاص خواهد داشت.

ساختمان اصلی JFET کانال n در شکل (2ـ1) نشان داده شده است. توجه کنید که قسمت اصلی ساختمان JFET را ماده کانال n تشکیل می‌دهد که لایه‌های ماده نوع P در طرفین آن جای داده شده است. قسمت فوقانی کانال n بوسیله یک اتصال اهمی به پایانه‌ای به نام درین (D) متصل است. دو ماده نوع p به یکدیگر و به پایانه‌ای موسوم به گیت (G) وصل است. بنابراین، اساساً درین و سورس به دو انتهای کانال نوع n و گیت به دو لایه نوع p وصل می‌شود. در نبودن یک پتانسیل و تغذیه نشدن، JFET دارای دو پیوند p-n است. در نتیجه یک ناحیه تهی مطابق شکل (2ـ1) در هر پیوند بوجود می‌آید که به ناحیه مشابه آن در دیود بدون ولتاژ شباهت دارد. به یاد داشته باشید که ناحیه تهی، ناحیه‌ای است خالی از حاملهای آزاد و بنابراین ناتوان از هدایت در این ناحیه.

مثالهای مکانیکی بندرت درست هستند و اغلب گمراه کننده‌اند، اما در شکل (3ـ1) نحوه کنترل گیت FET را و علت نامگذاری پایانه‌های این قطعه نشان داده شده است. فشار منبع آب به ولتاژ اعمال شده از درین به سورس تشبیه شده است که جریان آب (الکترونها) را از طریق توپی (سورس) ایجاد می‌کند. گیت از طریق سیگنال اعمال شده (پتانسیل)، جریان آب (بار) را به «درین» کنترل می‌کند. مطابق شکل (2ـ1) پایانه‌های درین و سورس در دو انتهای کانال n قرار گرفته‌اند.

 

شکل (2ـ1) ترانزیستور اثر میدانی پیوندی (JFET)

 

شکل (3ـ1) تشابه آب در کنترل مکانیزم JFET

در شکل (4ـ1) ولتاژ مثبت V_DS به دو سرکانال وصل شده و گیت مستقیماً به سورس متصل شده است تا شرط V_GS=0V برقرار باشد. در نتیجه پایانه سورس و گیت در پتانسیل یکسانی هستند. یک ناحیه تهی در انتهای ماده p شبیه به آنچه در شرایط بی‌تغذیه شکل (2ـ1) است، بوجود می‌آید. نخست ولتاژ V_DD(=V_DS) اعمال می‌شود، الکترونهای کشیده شده از درین جریان معمولی I_D را با مسیر تعیین شده شکل (4ـ1) بوجود می‌آورد. مسیر حرکت بار به وضوح نشان می‌دهد که جریانهای سورس و درین برابرند (I_D=I_S). تحت شرایط ایجاد شده در شکل (4ـ1)، از جریان بار بطور نسبی ممانعت نمی‌شود و فقط با مقاومت کانال n بین سورس و درین محدود می‌گردد.

قابل توجه آن است که ناحیه تهی در قسمت بالای هر دو ماده نوع p وسیعتر است. علت تغییر عرض ناحیه در شکل (5ـ1) به خوبی تشریح شده است. با فرض یکنواختی مقاومت کانال n، مقاومت کانال مطابق شکل (5ـ1) می‌تواند به چند قسمت تقسیم شود. جریان I_D همان‌گونه که از شکل پیداست ولتاژهایی را در طول کانال بوجود می‌آورد. نتیجه آن است که ناحیه بالاتر ماده نوع p حدود 1.5V تغذیه معکوس خواهد شد. در ناحیه پایین‌تر فقط 0.5V تغذیه معکوس وجود خواهد داشت.

 

 

شکل (4ـ1) JFET در V_GS=0V و V_DS>0V

در اینجا مطابق شکل (5ـ1) با زیاد شدن ولتاژ معکوس، ناحیه تهی وسیعتر می‌شود. این موضوع که پیوند p-n در طول کانال تغذیه معکوس شده است موجب می‌شود تا جریان گیت مطابق همان شکل صفر آمپر باشد. این حقیقت که I_G=0A است یک مشخصه مهم JFET محسوب می‌شود.

با افزایش V_DS از 0 به چند ولت، جریان افزایش خواهد یافت. جریان را بوسیله قانون اهم می‌توان تعیین نمود و نمودار I_D در برابر V_DS مطابق شکل (6ـ1) نمایان خواهد شد. راست بودن نسبی نمودار نشان می‌دهد که در ناحیه با مقادیر کم V_DS، مقاومت اساساً ثابت است. با افزایش V_DS و رسیدن آن به مقدار V_P در شکل (6ـ1) ناحیه تهی شکل (4ـ1) عریضتر می‌شود، و موجب کاهش قابل ملاحظه در عرض کانال می‌گردد. مسیر تنگ شده هدایت موجب افزایش مقاومت شده منحنی نمودار شکل (6ـ1) بوجود می‌آید. منحنی افقی‌تر یعنی مقاومت بیشتر، و به معنی آن است که مقاومت در ناحیه افقی به «بی‌نهایت» می‌رسد. اگر V_DS به اندازه‌ای افزایش یابد که دو ناحیه تهی مطابق شکل (7ـ1) به یکدیگر برسند و به اصطلاح «تماس» یابند، وضعیتی موسوم به مسدود شدگی بوجود خواهد آمد. اندازه ولتاژ V_DS که این وضع را بوجود می‌آورد، ولتاژ مسدود کننده نام دارد و مطابق شکل (6ـ1) با V_P نشان داده می‌شود. در عمل، اصطلاح مسدود شوندگی اصطلاحی غلط است زیرا به معنی آن است که جریان I_D مسدود شده به 0A افت می‌کند. بنابراین، مطابق شکل (6ـ1)، I_D در سطح اشباع در شکل (6ـ1) با I_DSS نشان داده شده باقی می‌ماند. در حقیقت، یک کانال بسیار کوچک با یک جریان بسیار چگال بوجود می‌آید. این حقیقت که I_D به مرحله مسدود شدن نمی‌رسد و در سطح اشباع باقی می‌ماند در شکل (6ـ1) نشان داده شده و با دلایل زیر ثابت می‌گردد: فقدان جریان در این احتمال وجود پتانسیلهای متفاوت را در کانال ماده n از بین می‌برد تا مقادیر متفاوت تغذیه معکوس در پیوند p-n بوجود آید. نتیجه آن خواهد بود که ناحیه تهی بوجود نیاید و مسدود شوندگی در اولین مکان حادث نشود.

توجه: عکس و جداول  در داخل فایل ورد موجود می باشد.

فرمت فایل: Word (قابل ویرایش)

تعداد صفحات: 90

حجم: 1.84 مگابایت

300,000 ریال – خرید نهایی کردن خرید مورد به سبد خرید اضافه شد