Транзистор с управляющим p-n переходом

Транзистор с управляющим p-n переходом (обычно именуемый JFET — Junction Field Effect Transistor) относится к классу полевых транзисторов, где управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым обратносмещённым p-n переходом. Его работа основана на модуляции ширины проводящего канала за счёт изменения потенциала затвора.

Основной элемент конструкции — полупроводниковый канал n- или p-типа, через который протекает ток между истоком и стоком. На боковых гранях канала располагаются p-n переходы, соединённые с затвором. При подаче напряжения на затвор формируется область обеднения, которая частично перекрывает канал.

Конструкция и материалы

В простейшем виде транзистор состоит из:

  • канала проводимости n-типа или p-типа;
  • истока (source) и стока (drain), подключённых к концам канала;
  • затвора (gate), образующего p-n переход с каналом.

Для изготовления JFET используют кремний, в высокочастотных и мощных вариантах — арсенид галлия. Конструкция транзистора может быть симметричной (исток и сток эквивалентны) или асимметричной.

Физические процессы в канале

При отсутствии напряжения на затворе канал имеет максимальную проводимость. Ток между истоком и стоком определяется только сопротивлением канала и приложенным напряжением.

Если на затвор подать отрицательное напряжение (для n-канального JFET), p-n переход смещается в обратном направлении, и вблизи границы канал–затвор формируется обеднённая область. Эта область лишена подвижных носителей заряда и фактически сужает эффективное сечение канала.

Ключевой эффект: чем выше отрицательное напряжение на затворе, тем шире обеднённая область и тем меньше пропускная способность канала. При определённом значении напряжения (напряжение отсечки, VGS(off)) обеднённые области полностью перекрывают канал, и ток между истоком и стоком прекращается.

Вольт-амперные характеристики

Ток стока ID зависит от напряжения затвор–исток VGS и напряжения сток–исток VDS.

  1. Линейный (омический) режим: при малых VDS канал ведёт себя как резистор, сопротивление которого зависит от VGS.
  2. Режим насыщения (активный режим): при росте VDS до определённого уровня возникает эффект «пережатия» канала вблизи стока. Ток выходит на насыщение и становится практически независимым от VDS, но сильно зависит от VGS.

Эмпирическая зависимость тока стока от напряжения затвора выражается уравнением:

$$ I_D = I_{DSS} \left(1 - \frac{V_{GS}}{V_{GS(off)}}\right)^2 $$

где

  • IDSS — максимальный ток стока при VGS = 0,
  • VGS(off) — напряжение отсечки.

Роль p-n перехода в управлении

p-n переход играет ключевую роль в обеспечении управления. В отличие от биполярного транзистора, где затвор (база) управляет током за счёт инжекции неосновных носителей, здесь затвор практически не потребляет тока. Ток затвора ограничен только обратным током p-n перехода, который составляет величины порядка микроампер.

Таким образом, JFET является управляемым напряжением прибором, что обеспечивает высокое входное сопротивление — одно из его важнейших преимуществ.

Параметры и характеристики

Основные параметры JFET:

  • IDSS — ток стока при нулевом напряжении на затворе;
  • VGS(off) — напряжение отсечки;
  • gm — крутизна характеристики, равная производной ∂ID/∂VGS в рабочей точке;
  • входное сопротивление, достигающее десятков МОм;
  • максимальное напряжение VDS(max) и ток ID(max).

Области применения

Благодаря своим свойствам транзисторы с управляющим p-n переходом применяются в:

  • схемах усилителей с высоким входным сопротивлением (например, входные каскады осциллографов и прецизионных усилителей);
  • аналоговых ключах и переключателях;
  • генераторах низкого уровня шума;
  • схемах автоматической регулировки усиления (АРУ).

Сравнение с другими транзисторами

По сравнению с биполярными транзисторами JFET имеет:

  • гораздо более высокое входное сопротивление;
  • меньший коэффициент усиления мощности;
  • отсутствие потребности в входном токе для управления.

По сравнению с МОП-транзисторами (MOSFET) JFET конструктивно проще, обладает лучшей радиационной стойкостью и меньшей чувствительностью к статическому электричеству, но уступает по минимальным утечкам и масштабируемости.

Оглавление