JFET

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Sähkövirta (elektronit) source-elektrodilta drain-elektrodille n-kanava-JFET:issä vähenee, kun gate-elektrodille tuodaan negatiivista jännitettä suhteessa kanavan source-elektrodiin (VGS.)

Liitoshila-FET (junction gate field-effect transistor, JFET tai joskus JUGFET) on yksinkertaisin FET eli kanavatransistori.

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuten muuitakin transistoreita, JFET:ejä voi käyttää elektronisesti ohjattuina kytkiminä. Lisäksi niitä voi käyttää myös jänniteohjattavina vastuksina.

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Piirrosmerkki N-kanavaiselle JFET:lle
Piirrosmerkki P-kanavaiselle JFET:lle

JFET:issä on kolme erityyppistä liitäntää: lähde (source, S), nielu (drain, D) ja hila (gate, G).

JFET muodostuu kahden puolijohderajapinnan välissä olevasta kanavasta,[1] joka yhdistää lähteen ja nielun. Kolmas liitäntä hila ei ole kosketuksissa suoraan kanavaan, vaan rajapinnan vastakkaisella puolella oleviin alueisiin.

Sekä kanava että sitä ympäröivien rajapintojen toisella puolella sijaitsevat kaksi muuta aluetta on seostettu (doupattu) siten, että kanava on sähköisesti vastakkaisen tyyppinen kuin kaksi muuta aluetta. JFET jaotellaankin kahteen eri tyyppiin kanavan seostuksen mukaan: n-tyyppi (kanavalla negatiivinen seos) ja p-tyyppi (kanavalla positiivinen seos).

Periaatteessa "D"- ja "S"-elektrodit ovat keskenään vaihdettavissa, jos se sopii paremmin kytkennän fyysiseen rakentamiseen, kunhan kytkentä myös muuttuu vastaamaan näiden elektrodien uusia merkityksiä.

Toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ilman hilajännitettä virta kulkee helposti pitkin kanavaa, kun tuodaan jännite-ero \scriptstyle V_{DS} lähteen ja nielun välille. Jännitteen \scriptstyle V_{DS} napaisuus on sellainen, että se laittaa hilan ja kanavan välisen p-n -liitoksen estosuuntaan ja näin leventää liitoksen tyhjennysaluetta (engl. depletion zone). JFET:iin syntyvä tyhjennysalue on sellainen alue, jossa ei ole liikkuvia varauksen kuljettajia[1] ja se syntyy kanavan reunamille puolijohderajapinnalle.

Hilajännitettä \scriptstyle V_{G} kasvatettaessa tyhjennysalue levenee ja kanava kutistuu siinä kulkevan virran vähetessä. Tyhjennysalue ei ole symmetrinen, vaan se on leveämpi kanavan päässä, joka on lähempänä nielua, koska hilan ja kanavan välinen estojännite on siellä korkein.[1]

Tällä tavalla hila ohjaa kanavan johtavuutta, aivan kuten MOSFET:issäkin.

Toisin kuin MOSFET:it, JFET:it toimivat aina estovyöhyketilassa, eli ne ovat aina johtavia, jos hilalla ei ole jännitettä.

Piirrossymbolista[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Riippuen kulttuurista, piirrosmerkit ovat joko kuten kuvissa oikealla, tai samanlaiset ilman ympyrää, tai niin että hila on keskellä kanavaa eikä lähteen/nielun kohdalla (ympyrällä tai ilman).

Symmetrinen versio koettaa vihjata, että kanava on todellakin symmetrinen siinä mielessä, että lähde ja nielu liitännät ovat keskenään vaihtokelpoisia.

Hilan nuolen kärjen suunta kertoo, miten päin liitoksen P-N-rajapinta on suhteessa kanavaan. Sulkeakseen kanavan, tarvitaan noin kahden voltin takaperoinen (VGS) jännite suhteessa lähteeseen (Source).

N-tyypin kanavalla vihje on siis, että hilan jännitteen pitää olla negatiivinen suhteessa lähteeseen. P-tyypin kanavalla haetaan positiivista VGS:ää.

Vertailua muiden transistorien suhteen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

JFET:in hila esiintyy pienenä virtakuormana joka johtuu hila-kanava-liitoksen estosuuntaisesta vuotovirrasta. MOSFET:illa on etunaan erittäin pieni hilavirta (suuruudeltaan pikoampeereita) koska siinä on eristävä oksidikerros hilan ja kanavan välissä. Toisaalta verrattaessa JFET:in hilavirtaa bipolaaritransistorin kantavirtaan, JFET:illä hilavirta on paljon pienempi ja sillä on myös suurempi transkonduktanssi kuin MOSFET:illä. Siksi JFET:illä on saavutettu erinomaisia tuloksia vähäkohinaisissa vahvistimissa, korkeaimpendanssisissa operaatiovahvistimissa ja joskus myös yksinkertaisissa kytkinsovelluksissa.

JFET:in olemuksen ennusti Julius Lilienfeld jo niinkin aikaisin kuin 1925 ja sen toiminnan teoria tunnettiin kyllin hyvin jo 1930 luvun puolivälissä että sille voitiin myöntää patentti. Aikakauden teknologia ei ollut kuitenkaan kyllin hyvä että olisi kyetty tuottamaan seostettuja puolijohteita kyllin suurella tarkkuudella vielä moniin vuosiin. Vuonna 1947 Bell-laboratorion tutkijat John Bardeen, Walter Houser Brattain ja William Shockley yrittivät rakentaa JFET:iä, kun he rakensivatkin bipolaaritransistorin.

Ensimmäiset toimivat JFET:it tehtiin useita vuosia myöhemmin vaikka ne olikin keksitty ensiksi.

Matematiikka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Virta n-JFET:issä johtuu pienestä jännite-erosta lähteen (engl. source) ja nielun (engl. drain) välillä: VDS ja se määräytyy kaavalla:

I_{DS} = (2a) W Q D_D \mu \frac{V_{DS}}{L}

missä:

  • 2a = kanavan paksuus
  • W = kanavan leveys
  • L = kanavan pituus
  • Q = elektronin varaus = 1.6 x 10-19 C
  • μ = elektronin liikkuvuus

Kyllästyneellä toiminta-alueella:

I_{DS} = I_{DSS}\left[1 - \frac{V_{GS}}{V_P}\right]^2

Lineaarisella toiminta-alueella:

I_D = \frac{(2a)WQ{N_D}{{\mu}_D}}{L}\left[1-\sqrt{\frac{V_{GS}}{V_P}}\right]V_{DS}

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Ralph Smith: Electronics: Circuits and Devices, 2. painos, s. 146. Wiley, 1980. ISBN 0-471-05344-9. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]