ترانزیستورهای (Transistor) جی فت JFET، ساختار و کاربردها (2n3819)

ترانزیستورهای پیوند اثر میدان

Junction Field Effect Transistor (JFET)

در این مقاله قصد داریم در مورد ترانزیستورهای اثر میدان اتصال بحث کنیم. در این آموزش، مفاهیم اولیه JFET را یاد می گیریم. اساساً، Junction Field Effect یک نوع ترانزیستور است، شبیه به ترانزیستورهای پیوند دوقطبی، اما به دلایلی که در زیر به آنها اشاره می شود، ویژگی های متفاوتی دارند:

معرفی JFET

ما JFET را به صورت زیر تعریف می کنیم:

ترانزیستورهای پیوند اثر میدان یا به سادگی JFET یک قطعه سه ترمینال نیمه هادی کنترل شونده با ولتاژ است که در هر دو پیکربندی، کانال N یا P وجود دارد.

JFET به این دلیل نامگذاری شده است که عملکردش به میدان ولتاژ گیت ورودی متکی است، بنابراین آنها قطعاتی وابسته به ولتاژ هستند در حالیکه ترانزیستورهای دوقطبی با جریان بیس تحریک می شوند. ورودی JFET گیت Gate نامیده می شود در حالی که خروجی آن درین Drain است.

ترانزیستور اثر میدان یک ترانزیستور تک قطبی است که از مواد نیمه هادی تشکیل شده است که از یک میدان الکتریکی برای کنترل مقدار جریان استفاده می کند.

توضیح در خصوص JFET

ترانزیستورهای پیوند اثر میدان قطعات مهمی در دنیای الکترونیک هستند. 

پایه های JFET

JFET دارای دو اتصال اهمی در دو طرف کانال است. به این کانال ها Source و Drain می گویند. اتصال درین و سورس از طریق گیت است. این اتصال نقطه ای است که پیوند PN شکل می گیرد. سورس و درین مجموعاً یک مسیر مقاومتی ایجاد می کنند که جریان Id به دلیل ولتاژ Vds از آن عبور می کند. این کانال یک کانال نیمه هادی است که جریان به خوبی از هر دو طرف عبور می کند. اما، به دلیل مقاومت کانال، وقتی از Drain به Source حرکت می کنیم، ولتاژ کمتر مثبت می شود. متعاقباً، اتصال PN دارای بایاس معکوس بالایی در Drain در مقایسه با Source است. بنابراین، یک ناحیه تخلیه به دلیل بایاسینگ تشکیل می شود که عرض آن با افزایش بایاسینگ افزایش و با کاهش بایاسینگ کاهش می یابد.

آرایش JFET

می دانیم که ترانزیستورها توسط دو نوع ماده یعنی نوع N و نوع P ساخته می شوند. ترمینال ها توسط یک مسیر جریان بین درین و سورس به هم متصل می شوند. این دو ترمینال به ترتیب مثل کلکتور و امیتر در ترانزیستورهای BJT کار می کنند. از این رو ما دو پیکربندی از JFET ها را مشاهده می کنیم:

نوع N.

نوع P.

در پیکربندی نوع P، ما دوپینگ پذیرنده الکترون را مشاهده می کنیم. از این رو حفره ها در این منطقه فراوان است. به همین ترتیب، پیکربندی نوع N شامل دوپینگ الکترون‌ها است، بنابراین ما رسانایی سریع‌تری را در ناحیه نوع N می بینیم. در اینجا در مورد تراتزیستور JFET نوع N بحث خواهیم کرد.

انواع JFET

بر اساس تولید آنها، ما JFET را به دو نوع طبقه بندی می کنیم:

JFET استاندارد

JFET با گیت عایق شده

نوع دوم یعنی IGJFET معمولاً ترانزیستور اثر میدان پیوند اکسید فلز یا ماسفت (Metal Oxide Junction Field Effect) نامیده می شود.

میزان هدایت JFET

JFET قطعات تک قطبی هستند و کارایی آنها عمدتاً به هدایت حفره ها و الکترون ها در کانال P و کانال N بستگی دارد.

تاریخچه ترانزیستورهای اثر میدانی

اولین تلاش برای ساخت ترانزیستور اثر میدانی توسط جولیوس ادگار در سال 1925 انجام شد ولی متأسفانه او به طرز بدی شکست خورد اما به اندازه کافی خوش شانس بود که این مفهوم را به ثبت رساند.

در سال 1934، اسکار هیل شانس خود را امتحان کرد اما موفق نشد.

در سال 1945، ترانزیستور پیوندی اثر میدان برای اولین بار بود که توسط هاینریش ولکر ساخته شد.

در سال‌های متوالی تلاش‌های متعددی صورت گرفت و انواع مختلفی از مواد برای ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی و انواع مرتبط با آن‌ها معرفی شد. تمام این تلاش‌های موفق و ناموفق منجر به شکل‌گیری ترانزیستور اثر میدانی امروزی شد.

تک قطبی بودن FET ها:

تک قطبی بودن ترانزیستور اثر میدانی به این معنی است که ترانزیستور از حفره ها یا الکترون ها برای کار استفاده می کند، بر خلاف ترانزیستورهای پیوند دوقطبی که از الکترون ها و حفره ها برای عملکرد خود استفاده می کنند.

نماد ترانزیستور اثر میدان

شکل زیر نماد ترانزیستور اثر میدانی را نشان می دهد.

سه پایه را می توان در شکل مشاهده کرد که عبارتند از گیت، سورس و درین که با G، S و D نشان داده شده اند.

جهت نوک پیکان در گیت بیانگر جهت میدان الکتریکی است.

نماد برای دو نوع مختلف FET کمی متفاوت است، آنها می توانند FET کانال N یا FET کانال P باشند، نمادهای FET های مختلف را در بخش های مربوطه خود در این مقاله خواهید دید.

چرا این ترانزیستورها اثر میدانی نامگذاری شده است؟

اکنون می خواهیم به این پرسش پاسخ دهیم که چرا به این ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدان می گویند؟ منظور از FET چیست؟ مفروضات متعددی در پشت آن وجود دارد، فرضیه‌ای که به نظر من مناسب است این است که سیگنال الکتریکی ضعیفی که از طریق یک الکترود وارد می‌شود، میدان الکتریکی بزرگ‌تری را از طریق سایر قسمت‌های ترانزیستور تولید می‌کند، بنابراین آنها را اثر میدان نامگذاری می‌کنند. 

BJT در برابر JFET

در بسیاری از مواقع، FET با BJT مقایسه می شود، اجازه دهید در این بخش یک مرور مختصر از ویژگی های آنها داشته باشیم. در زیر برخی از تفاوت های مهم بین این دو بیان شده است.

BJT نسبت به FET کمی نویزپذیرتر است.

BJT امپدانس خروجی بالاتری نسبت به FET دارد.

BJT بر اساس جریان کنترل می شود در حالی که FET با ولتاژ کنترل می شود.

BJT امپدانس ورودی کمتری نسبت به FET دارد.

نحوه کارکرد ترانزیستور FET

ساختار اصلی یک ترانزیستور FET

برخلاف ترانزیستورهای BJT، ترانزیستورهای اثر میدانی از کلکتور، امیتر و پایه معمولی تشکیل نشده اند، اگرچه تعداد پایه هایش شبیه BJT است اما نام و عملکرد هر پایه کاملاً متفاوت است. برای درک عملکرد ترانزیستور اثر میدان، اجازه دهید ابتدا پایه های آن را یک به یک مورد بحث قرار دهیم.

1. سورس

سورس با نماد S نشان داده می شود. سورس به عنوان یک الکترود ترانزیستور اثر میدان عمل می کند که از طریق آن حامل های بار هنگام اعمال ولتاژ وارد کانال می شوند.

همانطور که از نام آن پیداست، سورس یک ترانزیستور اثر میدانی به عنوان منبع تامین کننده حامل های بار عمل می کند.

2. گیت

با نماد G نشان داده می شود، در ترانزیستورها، هر جا که G را دیدید، بلافاصله آن را یک ترانزیستور اثر میدانی در نظر بگیرید. داستان رسانایی ترانزیستور اثر میدانی با اعمال ولتاژ به گیت آغاز می شود که به سایر اجزا منتقل می شود.

3. درین

درین با نماد D نشان داده می شود. درین یک الکترود ترانزیستور اثر میدان است که کانالی را برای حامل های بار فراهم می کند و به آنها کمک می کند مدار را ترک کنند.

عملکرد FET

چون تا اینجا ایده مختصری در مورد اجزای اصلی ترانزیستور اثر میدانی و عملکرد آنها پیدا کردید، اکنون در مورد کارکرد FET صحبت خواهیم کرد.

جریان همیشه از سورس S به سمت درین D جریان می یابد.

ولتاژی به پایه های گیت و سورس اعمال می شود که یک کانال هادی بین سورس S و گیت G ایجاد می کند.

الکترون ها یا حفره ها از سورس S به درین D به شکل جریانی از کانال عبور داده می شوند.

چندین چیز دیگر در کار و عملکرد یک ترانزیستور اثر میدانی با توجه به انواع آنها دخیل است که در بخش های مربوطه به بررسی آنها می پردازیم. 

در اینجا یک سوال ساده مطرح می شود که چرا ترانزیستورهای اثر میدانی FET ها قطعات کنترل شده با ولتاژ نامیده می شوند؟

FET‌ها را قطعات کنترل‌شده با ولتاژ می‌نامند، زیرا بر خلاف ترانزیستور پیوند دوقطبی BJT که یک قطعه کنترل‌شده جریان است، جریان در درین که به‌عنوان ID نشان داده می‌شود، به ولتاژ در گیت G بستگی دارد.

ولتاژ گیت برای هدایت جریان به سمت درین بسیار مهم است.

دو پدیده وجود دارد که بر آن تأثیر می گذارد یکی تخلیه کانال و دیگری بهبود وضعیت کانال است. بگذارید یک به یک آنها را مورد بحث قرار دهیم.

تخلیه کانال: یک FET از نوع کانال N را در نظر بگیرید، که اکثریت الکترون ها را به عنوان حامل بار دارد، با منفی کردن گیت، الکترون ها را از گیت دفع می کنیم و این الکترون ها کانال را اشباع می کنند و باعث افزایش مقاومت آن می شود. این باعث می شود که ناحیه گیت به دلیل حداقل تعداد الکترون ها نازک تر شود، اما گفته می شود که کانال هدایت به دلیل افزایش مقاومت تخلیه شده است.

دوباره FET از نوع کانال n را در نظر بگیرید، حالا خودتان فکر کنید، چه اتفاقی می افتد وقتی که گیت فت را مثبت تر کنید؟ حجم الکترون ها به سمت گیت هجوم می آورد! به دلیل تعداد بیشتر، ناحیه گیت را ضخیم تر می شود، اما در خطوط موازی، کانال هدایت به دلیل مقاومت کمتر افزایش می یابد.

انواع ترانزیستورهای FET

ما می توانیم ترانزیستور اثر میدان را بر اساس ساختار آنها به انواع زیر تقسیم کنیم.

ترانزیستور پیوند اثر میدان JFET

ماسفت ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز

ترانزیستور پیوند اثر میدانی JFET

JFETها یکی از ساده ترین انواع ترانزیستورهای اثر میدانی است.

عملکرد آنها تک قطبی است و یا با الکترون ها و حفره ها همانند توضیحات بخش FET کار می کنند.

ترانزیستور اتصال اثر میدان دارای سطح امپدانس ورودی بسیار بالایی است.

برخلاف ترانزیستورهای پیوند دوقطبی BJT، ترانزیستورهای JFET نویز خیلی کمی ایجاد می کند.

ساختار ترانزیستور JFET بسته به نوع آن دارد و به طور کلی از دو ماده نیمه هادی نوع n و نوع p تشکیل شده است 

نماد ترانزیستور اثر میدان اتصال به شرح زیر است.

انواع JFET

دو نوع از ترانزیستورهای JFET وجود دارد

ترانزیستورهای JFET با کانال N

ترانزیستورهای JFET با کانال P

اکنون این دو نوع ترانزیستور پیوند اثر میدان - JFET را به تفصیل مورد بحث قرار خواهیم داد.

ترانزیستور JFET با کانال نوع N

ابتدا در مورد ساختار ترانزیستور اثر میدان کانال N بحث می کنیم،

یک نوار از مواد نیمه هادی نوع n با جنس سیلیکون که به عنوان بستر (Substate) عمل می کند را در نظر می گیریم.

سپس این نوار را با دو نوار سیلیکونی نوع p که اندازه آنها کوچکتر از نوار سیلیکونی نوع n است، در دو طرف انتهایی نوار بستر آمیخته می کنیم (دیفیوژن). می توانید تصور کنید که دو قطعه کوچک را در سمت راست و سمت چپ منتهی الیه یک قطعه بزرگتر ساخته شده از چوب یا هر ماده ای که قابلیت چسبیدن دارند قرار داده و می چسبانید!

اکنون ما با آمیختن مواد از نوع p در بستر نوع n خود انتهای کار رسیده ایم، ناحیه اضافی و دست نخورده، جریان را هدایت می‌کند و به عنوان کانال برچسب‌گذاری می‌شود. این کانال ها مسئول عمل رسانایی ترانزیستورهای اثر میدانی در هنگام اعمال ولتاژ هستند.

بعد از اینکه کار ساخت کانال را انجام دادیم، اکنون خواهیم دید که چگونه قسمت های اصلی مانند Gate، Source و Drain از این قطعات نیمه هادی منتشر شده تشکیل شده اند.

دو نوار سیلیکونی ذوب شده نوع p که اکنون محل اتصال PN را با مواد نوع n تشکیل داده اند، اکنون به یکدیگر متصل شده اند تا گیت را تشکیل دهند.

دو انتهای کانالی که پیش از این پس از فرآیند ذوب تشکیل شده اند، متالیزه می شوند تا به سورس و درسن تبدیل شوند.

در ترانزیستورهای اثر میدانی کانال N الکترون ها به عنوان حامل های بار اصلی دلالت دارد. آنها نسبت به ترانزیستورهای اثر میدانی پیوند کانال p کارآمدتر هستند زیرا الکترون ها سریعتر از حفره ها حرکت می کنند.

ترانزیستورهای اثر میدانی پیوند کانال P

ساختار کانال FET نوع P

همین فرآیند برای ساخت ترانزیستور اثر میدانی پیوند کانال p تکرار می شود.

بستر مواد نوع p به شکل یک ویفر یا نوار بزرگ گرفته می شود و سپس با دو نوار کوچکتر از نوع n دیفیوژ (ذوب) می شود.

کانال پس از ذوب تشکیل می شود، سپس در هر دو انتها فلزی می شود تا سورس و درین تشکیل شود.

محل اتصال PN توسط دو ماده نیمه هادی نوع n تشکیل شده است، سپس به گیت متصل می شود.

بنابراین ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی کانال p اینگونه ساخته می شوند.

ترانزیستورهای JFET از نوع کانال p به دلیل تک قطبی بودن، حفره ها را به عنوان حامل های بار اکثریت نشان می دهد.

عملکرد ترانزیستور پیوند اثر میدان

ترانزیستور JFET همیشه در شرایط بایاس معکوس کار می کند، به همین دلیل است که امپدانس ورودی بسیار بالایی دارند.

در مورد ترانزیستور JFET، جریان گیت صفر است که با IG=0 نشان داده می شود. 

ولتاژ ورودی که با VGS نشان داده می شود، عامل کنترل کننده جریان خروجی است که با ID نشان داده می شود.

حتماً به این فکر می کنید که چگونه عرض کانالی را که جریان از طریق آن هدایت می شود کنترل می کنیم؟ پاسخ ساده است، ما عرض اتصال PN را در دو طرف کانال تغییر می دهیم که مقاومت در برابر مقدار جریان را افزایش می دهد.

همانطور که قبلاً می دانیم که ترانزیستور JFET فقط در شرایط بایاس معکوس کار می کند، اجازه دهید اکنون چند سناریو را بررسی کنیم تا بدانیم خروجی چگونه در شرایط مختلف تولید می شود.

بایاس صفر JFET

هنگامی که هیچ ولتاژ خارجی VGS به گیت اعمال نمی شود، ولتاژ حاصل به درین صفر خواهد بود که می تواند به صورت VGS = VDS = 0 نوشته شود.

مناطق تخلیه همان ضخامت قبلی را خواهند داشت زیرا ولتاژ هنوز اعمال نشده است.

در این شرایط بایاس صفر، جریان درین تولید می شود، اجازه دهید به شما بگویم چگونه! حامل های بار در غیاب اختلاف پتانسیل شروع به حرکت از سورس به درین می کنند و جریان درینی را تولید می کنند که برخلاف مسیر معمولی جریان است.

بنابراین در شرایط بایاس صفر، تنها جریان درین در ترانزیستور پیوند اثر میدان JFET وجود دارد.

بایاس معکوس ترانزیستور JFET

سناریوی کاربرد ولتاژ معکوس کوچک

در حضور یک پتانسیل یا ولتاژ کوچک، ولتاژ گیت سورس VGS که Id جریان درین به آن وابسته است، با اعمال پتانسیل معکوس کوچک، پهنای ناحیه درین افزایش می یابد.

به دلیل افزایش عرض نواحی تخلیه در دو طرف، کانال هدایت جریان را دشوار می یابد.

این مشکل کانال برای هدایت جریان منجر به افت ولتاژ می شود.

پهنای ناحیه تخلیه به سمت ترمینال درین بیشتر می شود زیرا افت ولتاژ در سمت درین بیشتر است.

به دلیل انقباض کانال هدایت، مقدار کمتری ID جریان درین به وجود می آید.

سناریوی اعمال ولتاژ معکوس بزرگ

در این مورد ما یک ولتاژ منفی بالاتر اعمال می کنیم که ولتاژ گیت به سورس است که با VGS نشان داده می شود.

مناطق تخلیه هر دو اتصال PN مربوطه، همچنان در عرض افزایش می یابد.

در نهایت، هر دو منطقه تخلیه با یکدیگر تلاقی پیدا می کنند.

در اینجا یک سوال به وجود می آید و آن اینکه زمانی که هر دو منطقه تخلیه با یکدیگر تلاقی می یابند یا در یکدیگر ذوب می شوند چه اتفاقی می افتد ؟ آنها در نهایت هدایت جریان را مسدود می کنند!

نقطه ای که در آن ولتاژ خاص کانال هادی را به طور کامل مسدود می کند، ولتاژ قطع  Cut off یا گاهی اوقات Pinch off می گویند.

فرمول برای مقاومت جریان درین سورس و مقاومت کانال درین سورس

جریان درین در ناحیه اشباع را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

Id بین صفر تا Idss قرار دارد.

به طور مشابه، اگر ولتاژ سورس درین Vds و جریان درین را بدانیم، می توانیم مقاومت کانال سورس درین را محاسبه کنیم.

Rds = Vds /Id = 1 / gm

در اینجا gm نشان‌دهنده "بهره انتقالی" است.

حالت های مختلف عملکرد FET ها:

FET ها را می توان به سه مد مختلف پیکربندی طبقه بندی کرد.

پیکربندی سورس مشترک

پیکربندی گیت مشترک

پیکربندی درین مشترک

1: پیکربندی سورس مشترک CS:

پیکربندی سورس مشترک مشابه پیکربندی امیتر مشترک در ترانزیستورهای پیوند دوقطبی BJT است. در این پیکربندی ولتاژ ورودی به ترمینال گیت اعمال می شود و خروجی ما از ترمینال درین گرفته می شود. این حالت دارای تقویت ولتاژ و امپدانس بالا است، از این رو بیشتر در تقویت کننده های فرکانس صوتی استفاده می شود. از آنجایی که این یک مدار تقویت کننده است، اجازه می دهد تا خروجی 180 درجه نسبت به  ورودی آن تغییر فاز داشته باشد.

2: پیکربندی گیت مشترک CG:

پیکربندی گیت مشترک مشابه پیکربندی بیس مشترک در ترانزیستورهای پیوند دوقطبی BJT است. در این پیکربندی، ولتاژ ورودی به ترمینال سورس اعمال می شود و در حالی که گیت به زمین متصل است، خروجی در ترمینال درین ظاهر می شود. در این پیکربندی، امپدانس در مقایسه با پیکربندی سورس مشترک، کم خواهد بود. این پیکربندی بیشتر در مدارهای تطبیق فرکانس بالا و تطبیق امپدانس استفاده می شود. برخلاف پیکربندی سورس مشترک، در این حالت "سیگنال خروجی با سیگنال ورودی هم فاز است"

3: پیکربندی درین مشترک CD:

پیکربندی درین مشترک مشابه پیکربندی کلکتور مشترک در ترانزیستورهای پیوند دوقطبیBJT است. در این پیکربندی ولتاژ ورودی به گیت اعمال می شود و سیگنال خروجی از سورس گرفته می شود. مهم است که توجه داشته باشید هیچ سیگنالی به ترمینال درین اعمال نمی شود. Vdd ولتاژ بایاس را نشان می دهد. مشابه پیکربندی گیت مشترک، در اینجا "سیگنال خروجی با سیگنال ورودی هم فاز است"

MOSFET_ ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلز.

نوع دوم ترانزیستورهای اثر میدان، ماسفت یا همان ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلزی است.

ترانزیستورهای اثر میدان اکسید فلز (MOSFET) یکی از رایج ترین انواع ترانزیستورهایی هستند که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

ویژگی های ماسفت

ماسفت نسبت به سایر ترانزیستورها توان کمتری مصرف می کند.

آنها فوق العاده مقیاس پذیر هستند و اگر قانون مور را به خاطر داشته باشید، بهترین تجلی عملی قانون مور هستند.

ماسفت ها سرعت سوئیچینگ بالایی دارند به همین دلیل از آنها برای تولید قطارهای پالس استفاده می شود. یعنی شکل موج های مربعی نامتقارن که تناوبی هستند اما ماهیت غیر سینوسی دارند.

ماسفت ها برای مدارهای دیجیتال، مدارهای آنالوگ و مدارهای خطی ایده آل در نظر گرفته می شوند.

گاهی اوقات ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلز - ماسفت ها را IGFET، ترانزیستورهای اثر میدانی گیت عایق نیز می نامند.

ساختار اصلی ماسفت

اجازه دهید اکنون ساختار اصلی ترانزیستورهای ماسفت را مورد بحث قرار دهیم.

ترانزیستور MOSFET بر خلاف JFET دارای چهار پایه است.

پایه های ماسفت عبارتند از سورس  S، درین  D، بدنه  B و گیت  G.

گیت توسط بدنه ترانزیستور از طریق مواد عایق جدا می شود.

ماسفت بسیار شبیه به JFET است، اما تفاوت اصلی در عایق بودن الکترود گیت از کانال هدایت، یعنی کانال P یا کانال N، با کمک یک لایه نازک از SiO2 یا شیشه است.

عایق بندی ترمینال گیت با لایه اکسید فلزی به افزایش مقاومت ورودی کمک می کند. عایق می تواند مقدار مقاومت ورودی را به مگا اهم افزایش دهد.

نماد ماسفت 

نماد زیر برای نشان دادن ماسفت استفاده می شود.

فلش گیت به بدنه جهت جریان را نشان می دهد. حالا حتماً فکر می‌کنید که چرا ماسفت فقط با سه پایانه نمایش دادهمی شود؟ چون همیشه پایه چهارم یعنی بدنه به سورس متصل است و به صورت یک ترمینال نشان داده می شود.

بنابراین شما فقط می توانید سه پایانه به نام های گیت  G، درین  D و سورس  S را ببینید.

انواع ماسفت

در زیر چهار نوع متداول ماسفت ذکر شده است.

ماسفت افزایشی کانال N

ماسفت افزایشی کانال P

ماسفت حالت تخلیه کانال N

ماسفت حالت تخلیه کانال P

اکنون در خصوص این موارد بیشتر توضیح می دهیم.

ویژگی های FET

مشخصات ولتاژ جریان، I-V ترانزیستور اثر میدانی ولتاژ اعمال شده به درین و سورس  VDSو Id جریان درین رسم شده است.

نمودار برای مطالعه مشخصه ترانزیستور FET بین مقادیر متغیر جریان درین نشان داده شده با ID در امتداد محور y، با مقادیر متغیر VDS در امتداد محور x رسم شده است.

نمودار مناطق زیر را نشان می دهد.

منطقه اهمی

منطقه قطع 

اشباع یا منطقه فعال

منطقه شکست

برای درک بهتر به نمودار مراجعه کنید.

اکنون به تفصیل در مورد هر یک از مناطق بحث خواهیم کرد.

منطقه اهمی

منطقه اهمی در سمت چپ منتهی الیه نمودار است که مقدار جریان درین ID را زمانی که ولتاژ اعمال شده ترانزیستور بین سورس و گیت صفر باشد، یعنی VGS=0 نشان می دهد.

کانال هدایت معمولاً کوچک است اما در این حالت باریک نیست.

مناطق تخلیه در طرف های مربوطه از نظر اندازه برابر هستند و هنوز شروع به گسترش نکرده اند.

ترانزیستور اثر میدانی ما به عنوان یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ در این نمونه از منحنی ویژگی های IV عمل می کند.

منطقه قطع یا Pinch Off

این دومین ناحیه از نمودار ما است که با خطوط بنفش بنفش نشان داده شده است.

ناحیه قطع Cut Off به عنوان ناحیه Pinch Off نیز نامیده می شود زیرا ولتاژ VGS، ولتاژی که جریان ترانزیستور را کنترل می کند، به حدی وحشتناک است که مدار را به عنوان یک کلید باز کار کند.

در ناحیه pinch off کانال هدایت جریان به دلیل افزایش ضخامت مناطق تخلیه در هر دو طرف تقریباً بسته است.

منطقه اشباع

ناحیه اشباع، ناحیه فعال نمودار نیز نامیده می شود.

در این ناحیه ترانزیستور اثر میدانی رسانای خوبی است.

مقدار ولتاژ اعمال شده VGS، ولتاژ بین گیت و سورس، ترانزیستور را فعال می کند.

VDS ولتاژ سورس درین در این لحظه حداقل تأثیر را بر جریان Id ترانزیستور دارد.

منطقه شکست

این آخرین و انتهایی ترین منطقه منحنی خصوصیات برای ترانزیستور اثر میدانی است، می توانید این ناحیه را در گوشه سمت راست مشاهده کنید.

ولتاژ بین سورس و درین نشان داده شده توسط VDS در این منطقه بسیار بالا است.

ولتاژ به قدری زیاد است که کانال هدایت شکسته می شود و حداکثر جریان از کانال به سمت درین عبور کند.

کاربردهای ترانزیستورهای اثر میدانی

ترانزیستورهای اثر میدانی دنیای الکترونیک را متحول کرده اند، لیست بلند و بالایی از کاربردهای ترانزیستورهای اثر میدانی وجود دارد، ما در این بخش قصد داریم به چند مورد مهم بپردازیم.

ترانزیستورهای اثر میدانی FET ها اغلب در مدارهای مجتمع به دلیل اندازه کوچکتر و فشرده بودنشان استفاده می شوند.

FET ها در تقویت کننده های عملیاتی به عنوان VR ها یعنی مقاومت های متغیر با ولتاژ استفاده می شوند.

آنها همچنین در کنترل صدا برای عملیات میکسر در تلویزیون و FM نیز استفاده می شوند.

ترانزیستورهای اثر میدانی در گیت های منطقی  نیز استفاده می شوند.

ترانزیستورهای اثر میدانی به طور گسترده در تولید سوئیچ های دیجیتال نیز استفاده می شوند.

اکنون در مورد برخی از پیشرفته ترین کاربردهای ترانزیستورهای اثر میدان بحث خواهیم کرد.

FET به عنوان تقویت کننده بافر

اول از همه، اجازه دهید ابتدا بحث کنیم که بافر چه کاری انجام می دهد؟ یک بافر کمک می کند تا سیگنال دیجیتال یا آنالوگ با موفقیت منتقل می شود.

یک بافر ولتاژ به تقویت جریان بدون ایجاد انحراف در سطح ولتاژ واقعی کمک می کند.

بنابراین، همانطور که شما به خوبی از عملکرد یک بافر آگاه هستید، در مورد نحوه عملکرد یک ترانزیستور اثر میدانی به عنوان تقویت کننده بافر بحث خواهیم کرد.

یک تقویت کننده بافر مرحله قبلی سیگنال را از مرحله بعدی جدا می کند، بطوریکه درین ترانزیستور اثر میدانی برای این منظور عمل می کند.

در واقع امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی پایین ترانزیستور اثر میدانی آن را به یک تقویت کننده بافر عالی تبدیل می کند.

FET به عنوان سوئیچ آنالوگ

در مورد استفاده از ترانزیستورهای اثر میدانی در سوئیچ های آنالوگ و دیجیتال بحث کردیم، اکنون در مورد استفاده از آنها در سوئیچ های آنالوگ صحبت خواهیم کرد.

ما قبلاً آن را در منحنی مشخصه و سناریوهای عملیاتی ترانزیستور اثر میدانی که ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی است، بحث کرده‌ایم که باعث می‌شود FET به عنوان یک سوئیچ عمل کند.

هنگامی که VGS که همان ولتاژ سورس گیت است صفر باشد، FET به عنوان یک مقاومت کوچک عمل می کند، اگرچه مقدار کمی جریان درین در این حالت وجود دارد اما مقدار آن تقریباً ناچیز است.

عبارت ریاضی آن را می توان به صورت زیر نوشت

VOUT = {RDS/ (RD + RDS (ON)}* Vin

اگر به خاطر داشته باشید، ناحیه قطع منحنی مشخصه I-V ترانزیستور اثر میدانی ما، زمانی که حداکثر ولتاژ منفی به ناحیه سورس گیت ایجاد می شود و در نهایت FET به عنوان یک مقاومت بسیار بالا عمل می کند.

این مقاومت در محدوده مگا اهم قرار دارد.

در این مورد ولتاژ خروجی Vout تقریباً برابر با ولتاژ ورودی است که VGS بود.

FET به عنوان نوسان ساز شیفت فاز

ترانزیستورهای اثر میدانی به عنوان نوسانگرهای شیفت فاز ایده آل هستند.

نوسانگرهای تغییر فاز برای تولید سیگنال هایی با طیف وسیعی از فرکانس ها استفاده می شوند.

ترانزیستورهای اثر میدانی را می توان برای تقویت و همچنین برای عملیات فیدبک استفاده کرد، به همین دلیل است که آنها برای طراحی نوسانگرهای شیفت فاز عالی هستند.

ترانزیستور اثر میدانی_ FET ها امپدانس ورودی بالایی دارند، بنابراین زمانی که به عنوان نوسان ساز شیفت فاز استفاده می شوند، اثر بارگذاری بسیار کمتری وجود دارد.

بیشتر اوقات از JFET های کانال N برای این منظور استفاده می شود.

می‌توانید ترانزیستورهای اثر میدانی را به‌عنوان نوسانگرهای شیفت فاز در واحدهای GPS، آلات موسیقی و بسیاری موارد دیگر که سیگنال‌های صوتی مدوله می‌شوند، مانند سنتز صدا، مشاهده کنید.

FET به عنوان تقویت کننده کاسکود (Cascode)

کلمه مورد کد از عبارت "Cascade to Cathode" گرفته شده است.

مدارهای کاسکود از دو جزء تشکیل شده اند که اولی تقویت کننده رسانایی انتقالی (Transconductance) و دومی تقویت کننده بافر است.

تقویت‌کننده‌های کاسکود به دلیل مقاومت بالای ورودی معمولاً با استفاده از ترانزیستورهای اثر میدانی ساخته می‌شوند.

ما از تقویت‌کننده‌های کاسکودی به دلیل کم بودن ظرفیت خازنی ورودی استفاده می‌کنیم، در غیر این صورت، تقویت‌کننده‌های معمولی که رایج هستند. به طور کلی مقدار ظرفیت خازنی ورودی بالاتری نسبت به تقویت‌کننده‌های کاسکد دارند.

بهره ولتاژ بالای تقویت کننده های کاسکود مثل تقویت کننده های FET است.

FET در مالتی پلکسر

اجازه دهید ابتدا در مورد کارکرد یک مالتی پلکسر بحث کنیم، یک مالتی پلکسر سیگنال های مختلف را از منابع مختلف جمع آوری می کند و یکی از ورودی ها را به عنوان یک سیگنال خروجی تحویل می دهد. 

ترانزیستورهای اثر میدان اتصال برای ساخت مدار مالتی پلکسر استفاده می شوند.

هر ترانزیستور اثر میدانی به عنوان یک SPST عمل می کند.

اگر در مورد SPST اطلاعی ندارید، اجازه دهید به شما بگویم، SPST مخفف عبارت Single Pole Single Throw یعنی سوئیچ تک قطبی تک راهه است که خروجی را از یکی از ورودی هاایجاد می کند.

یک SPST به عنوان کلید روشن و خاموش در مدارها استفاده می شود.

نمودار مدار زیر را در نظر بگیرید؛

همه سیگنال های ورودی زمانی مسدود می شوند که سیگنال های کنترل منفی تر از ولتاژ سورس گیت VGS شوند.

این شرایط تمام سیگنال های ورودی را مسدود می کند.

با صفر کردن هر یک از ولتاژهای کنترل V1، V2 یا V3 می توانیم یک موج خروجی دلخواه را بدست آوریم.

در نظر بگیرید که اگر V2 را صفر کنیم، یک سیگنال مثلثی به دست خواهیم آورد.

اگر V3 را صفر کنیم، شما می توانید سیگنال موجی را ایجاد کنید،

 بنابراین این نحوه استفاده از ترانزیستورهای اثر میدانی در مالتی پلکسرها است.

FET به عنوان تقویت کننده ورودی کم نویز

نویز را چگونه تعریف می کنید؟ صدایی که برای گوش ناخوشایند است یا در خصوص سیگنال، اختلالی است که باعث آشفتگی و انحراف خروجی مورد نظر می شود و آن را کاهش داده یا تضعیف می کند.

نویز در بسیاری از ابزارهای مکانیکی و الکتریکی تولید می شود اما گاهی ای نویز قابل تحمل است و گاهی نه!

فقط صدای مزاحم را در هنگام پخش ویدیو یا صدا تصور کنید، هیچ کس این صدای مزاحم را دوست ندارد! به همین دلیل است که از ترانزیستورهای اثر میدانی با تقویت نویز کم استفاده می شود.

تولید نویز نقطه ضعف بسیاری از دستگاه های الکترونیکی است، اما جنبه مثبت آن این است که ترانزیستورهای اثر میدانی ما نویز کمتری ایجاد می کنند، به خصوص اگر در بخش های ابتدایی گیرنده سیگنال استفاده شوند.

بنابراین، در نهایت، می‌توان گفت که اگر از یک ترانزیستور اثر میدانی FET در بخش ابتدای تقویت کننده ها استفاده کنیم، سیگنال نامطلوب کمتری در خروجی تولید شده ما تقویت می‌شود.

FET به عنوان محدود کننده جریان

از ترانزیستورهای پیوند اثر میدان JFET می توان برای ساخت مدار محدود کننده جریان استفاده کرد.

با این مشخصه و چیدمان، دیودهای جریان ثابت و تنظیم کننده های جریان ساخته می شوند، اجازه دهید روند را مورد بحث قرار دهیم، اما ابتدا برای درک بهتر به نمودار مدار مراجعه کنید.

هنگامی که ولتاژ تغذیه به دلیل هر گونه ناهماهنگی در سیستم وجود دارد، ترانزیستور JFET فوراً در ناحیه فعال یا اشباع خود شروع به کار می کند، امیدوارم تا کنون به خوبی از منطقه فعال ترانزیستور اثر میدان اتصال آگاه شده باشید. در غیر این صورت به قسمت نمودار مشخصات I-V و توضیح آن مراجعه کنید!

در این مثال، ترانزیستور JFET به عنوان منبع جریان عمل می کند و از هرگونه جریان بار بیشتر جلوگیری می کند.