JFET

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 16 صور
الموسوعة الحرة

يُعد ترانزستور تأثير المجال ذو الوصلة ( JFET ) أحد أبسط أنواع ترانزستورات تأثير المجال . [ 1 ] ترانزستورات JFET هي أجهزة أشباه موصلات ثلاثية الأطراف يمكن استخدامها كمفاتيح أو مقاومات يتم التحكم فيها إلكترونيًا ، أو لبناء مكبرات صوت .

على عكس الترانزستورات ثنائية القطب ، فإن ترانزستورات JFET تُتحكم فيها حصريًا بالجهد ، إذ لا تحتاج إلى تيار انحياز . يتدفق التيار الكهربائي عبر قناة شبه موصلة بين طرفي المصدر والمصب . عند تطبيق جهد انحياز عكسي على طرف البوابة ، تُضغط القناة ، مما يعيق مرور التيار الكهربائي أو يوقفه تمامًا. يكون ترانزستور JFET موصلًا عادةً عندما يكون الجهد بين طرفي البوابة والمصدر صفرًا. إذا طُبِّق فرق جهد بالقطبية المناسبة بين طرفي البوابة والمصدر، يصبح الترانزستور أكثر مقاومة لتدفق التيار، مما يعني تدفق تيار أقل في القناة بين طرفي المصدر والمصب.

تُعرف ترانزستورات JFET أحيانًا باسم أجهزة وضع الاستنزاف ، لأنها تعتمد على مبدأ منطقة الاستنزاف ، وهي منطقة خالية من حاملات الشحنة الرئيسية . يجب إغلاق منطقة الاستنزاف للسماح بمرور التيار.

يمكن أن تحتوي ترانزستورات JFET على قناة من النوع n أو النوع p . في النوع n، إذا كان الجهد المطبق على البوابة سالبًا بالنسبة للمصدر، سينخفض ​​التيار (وينطبق الأمر نفسه في النوع p، إذا كان الجهد المطبق على البوابة موجبًا بالنسبة للمصدر). نظرًا لأن ترانزستور JFET في تكوين المصدر المشترك أو المصرف المشترك يتميز بمقاومة دخل عالية [ 2 ] (تصل أحيانًا إلى 10 ^10 أوم )، فإن التيار المسحوب من الدوائر المستخدمة كمدخل للبوابة يكون ضئيلاً. 

تاريخ

حصل يوليوس ليليينفيلد على براءة اختراع لسلسلة من الأجهزة الشبيهة بترانزستورات التأثير الحقلي في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين. ومع ذلك، تطلب علم المواد وتكنولوجيا التصنيع عقودًا من التقدم قبل أن يصبح من الممكن تصنيع ترانزستورات التأثير الحقلي فعليًا.

حصل هاينريش ويلكر على براءة اختراع ترانزستور JFET لأول مرة عام 1945. [ 3 ] خلال أربعينيات القرن العشرين، حاول الباحثون جون باردين ، ووالتر هاوزر براتين ، وويليام شوكلي بناء ترانزستور FET، لكنهم فشلوا في محاولاتهم المتكررة. اكتشفوا ترانزستور نقطة التلامس أثناء محاولتهم تشخيص أسباب فشلهم. بعد المعالجة النظرية التي قدمها شوكلي لترانزستور JFET عام 1952، صنع جورج سي. داسي وإيان إم . روس نموذجًا عمليًا لترانزستور JFET عام 1953. [ 4 ] تقدم المهندسان اليابانيان جون-إيتشي نيشيزاوا وي. واتانابي بطلب للحصول على براءة اختراع لجهاز مشابه عام 1950 أطلقوا عليه اسم ترانزستور الحث الساكن (SIT). يُعد ترانزستور الحث الساكن نوعًا من ترانزستور JFET ذي قناة قصيرة. [ 4 ]

أصبح التبديل عالي السرعة والجهد باستخدام ترانزستورات JFET ممكنًا تقنيًا بعد طرح أجهزة كربيد السيليكون (SiC) ذات فجوة النطاق العريضة تجاريًا في عام 2008. ونظرًا للصعوبات المبكرة في التصنيع - ولا سيما عدم الاتساق وانخفاض الإنتاجية - ظلت ترانزستورات JFET المصنوعة من كربيد السيليكون منتجًا متخصصًا في البداية، مع تكاليف مرتفعة تبعًا لذلك. وبحلول عام 2018، تم حل معظم هذه المشكلات التصنيعية. وبحلول ذلك الوقت، شاع استخدام ترانزستورات JFET المصنوعة من كربيد السيليكون مع ترانزستورات MOSFET التقليدية المصنوعة من السيليكون ذات الجهد المنخفض. [ 5 ] في هذا المزيج، تتمتع أجهزة JFET المصنوعة من كربيد السيليكون مع ترانزستور MOSFET المصنوع من السيليكون بمزايا الأجهزة ذات فجوة النطاق العريضة، بالإضافة إلى سهولة تشغيل بوابة ترانزستورات MOSFET. [ 5 ]

بناء

يُعدّ ترانزستور JFET قناةً طويلةً من مادة شبه موصلة ، مُطعّمة لتحتوي على وفرة من حاملات الشحنة الموجبة أو الفجوات ( النوع p )، أو من حاملات الشحنة السالبة أو الإلكترونات ( النوع n ). تُشكّل وصلات أومية عند كل طرف المصدر (S) والمصب (D). يتم تكوين وصلة pn على أحد جانبي القناة أو كليهما، أو حولها باستخدام منطقة ذات تطعيم معاكس لتطعيم القناة، ويتم تحيزها باستخدام وصلة بوابة أومية (G).

الوظائف

خصائص التيار-الجهد ومخطط خرج ترانزستور JFET ذي القناة السالبة

يمكن تشبيه عمل ترانزستور JFET بعمل خرطوم الحديقة . فكما يُتحكم في تدفق الماء عبر الخرطوم بضغطه لتقليل مساحة مقطعه العرضي ، يُتحكم في تدفق الشحنة الكهربائية عبر ترانزستور JFET بتضييق قناة التيار. ويعتمد التيار أيضًا على المجال الكهربائي بين المصدر والمصب (كما هو الحال في فرق الضغط على طرفي الخرطوم). لا تدعم الخصائص الموضحة في الرسم البياني أعلاه هذا الاعتماد على التيار عند تطبيق جهد معين. هذه هي منطقة التشبع ، ويعمل ترانزستور JFET عادةً في هذه المنطقة ذات التيار الثابت، حيث لا يتأثر تيار الجهاز عمليًا بجهد المصدر-المصب. يتشارك ترانزستور JFET خاصية التيار الثابت هذه مع ترانزستورات الوصلة ومع الصمامات الحرارية (الرباعية والخماسية).

يتم تضييق قناة التوصيل باستخدام تأثير المجال : حيث يُطبَّق جهد بين البوابة والمصدر لعكس انحياز وصلة pn بين البوابة والمصدر، مما يؤدي إلى توسيع طبقة الاستنزاف لهذه الوصلة (انظر الشكل العلوي)، وبالتالي تضييق قناة التوصيل وتقليل مساحة مقطعها العرضي. سُميت طبقة الاستنزاف بهذا الاسم لأنها خالية من حاملات الشحنة المتحركة، ولذلك فهي غير موصلة كهربائيًا عمليًا. [ 6 ]

عندما تمتد طبقة الاستنزاف على عرض قناة التوصيل، يحدث انقطاع التيار ويتوقف التوصيل بين المصرف والمصدر. يحدث انقطاع التيار عند جهد انحياز عكسي محدد ( V <sub>GS</sub> ) لوصلة البوابة-المصدر. يختلف جهد انقطاع التيار (V <sub> p </sub> ) (المعروف أيضًا بجهد العتبة [ 7 ] [ 8 ] أو جهد القطع [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] ) اختلافًا كبيرًا، حتى بين الأجهزة من النوع نفسه. على سبيل المثال، يتراوح V<sub> GS</sub>(off) لجهاز Temic J202 من -0.8 فولت إلى -4 فولت [ 12 ] ، بينما يتراوح V<sub> GS</sub>(off) لجهاز J308 بين -1 فولت و -6.5 فولت . [ 13 ] (ومن المثير للارتباك أن مصطلح جهد القطع يستخدم أيضًا للإشارة إلى قيمة V DS التي تفصل بين منطقتي الخطية والتشبع. [ 10 ] [ 11 ] )

يتطلب إيقاف تشغيل جهاز ذي قناة n جهد بوابة-مصدر سالب ( VGS ). وعلى العكس من ذلك، يتطلب إيقاف تشغيل جهاز ذي قناة p جهد بوابة- مصدر موجب (VGS ) .

في التشغيل العادي، يعمل المجال الكهربائي المتولد من البوابة على منع التوصيل بين المصدر والمصب إلى حد ما.

بعض أجهزة JFET متناظرة بالنسبة للمصدر والمصب.

الرموز التخطيطية

رمز الدائرة لقناة JFET n
رمز الدائرة الكهربائية لترانزستور JFET ذي القناة p

يُرسم أحيانًا بوابة ترانزستور JFET في منتصف القناة (بدلاً من رسمها عند قطب المصرف أو المصدر كما في هذه الأمثلة). يشير هذا التناظر إلى إمكانية استخدام مصطلحي "المصرف" و"المصدر" بشكل متبادل، لذا يجب استخدام الرمز فقط مع ترانزستورات JFET التي يمكن استخدام هذين المصطلحين فيها بالفعل.

يمكن رسم الرمز داخل دائرة (تمثل غلاف جهاز منفصل) إذا كان الغلاف مهمًا لوظيفة الدائرة، مثل المكونات المتطابقة المزدوجة في نفس العبوة. [ 14 ]

في كل حالة، يشير رأس السهم إلى قطبية وصلة P-N المتكونة بين القناة والبوابة. وكما هو الحال في الصمام الثنائي العادي ، يشير السهم من P إلى N، وهو اتجاه التيار التقليدي عند الانحياز الأمامي. ويمكن تذكر ذلك بسهولة باللغة الإنجليزية بالقول إن سهم جهاز القناة N "يشير إلى الداخل ".

مقارنة مع الترانزستورات الأخرى

عند درجة حرارة الغرفة، يكون تيار بوابة ترانزستور JFET (التيار العكسي لوصلة البوابة بالقناة ) مماثلاً لتيار بوابة ترانزستور MOSFET (الذي يحتوي على طبقة عازلة من الأكسيد بين البوابة والقناة)، ولكنه أقل بكثير من تيار قاعدة ترانزستور ثنائي القطب . يتميز ترانزستور JFET بكسب ( موصلية ) أعلى من ترانزستور MOSFET، بالإضافة إلى انخفاض ضوضاء الوميض ، ولذلك يُستخدم في بعض مضخمات العمليات منخفضة الضوضاء وعالية مقاومة الدخل . علاوة على ذلك، فإن ترانزستور JFET أقل عرضة للتلف الناتج عن تراكم الشحنات الساكنة. [ 15 ]

النموذج الرياضي

المنطقة الأومية الخطية

يُعطى التيار في ترانزستور N-JFET الناتج عن جهد صغير VDS ( أي في المنطقة الخطية أو الأومية [ 16 ] أو منطقة التريود [ 7 ] ) بمعاملة القناة كقضيب مستطيل من مادة موصلة كهربائياًqشمالدμن{\displaystyle qN_{d}\mu _{n}}[ 17 ]​

أناد=بدبليولqشمالدμنVدي إس،{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}},}

أين

I D = تيار المصرف-المصدر،
b = سُمك القناة لجهد بوابة مُحدد،
W = عرض القناة،
L = طول القناة،
q = شحنة الإلكترون = 1.6 × 10 −19  كولوم،
μ n = حركة الإلكترون ،
N d = تركيز التطعيم من النوع n (المانح)،
V P = جهد الانقطاع.

ويمكن تقريب تيار المصرف في المنطقة الخطية على النحو التالي:

أناد=بدبليولqشمالدμنVدي إس=أدبليولqشمالدμن(1-Vجي إسVP)Vدي إس.{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}}={\frac {aW}{L}}qN_{d}\mu _{n}\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right)V_{\text{DS}}.}

من ناحيةأنانظام دعم القرار{\displaystyle I_{\text{DSS}}}يمكن التعبير عن تيار المصرف على النحو التالي:

أناد=2أنانظام دعم القرارVP2(Vجي إس-VP-Vدي إس2)Vدي إس.{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{V_{\text{P}}^{2}}}\left(V_{\text{GS}}-V_{\text{P}}-{\frac {V_{\text{DS}}}{2}}\right)V_{\text{DS}}.}

منطقة التيار الثابت

غالبًا ما يتم تقريب تيار المصرف في منطقة التشبع أو النشطة [ 18 ] [ 7 ] أو منطقة الانقطاع [ 19 ] من حيث انحياز البوابة كما هو [ 17 ].

أنادي إس=أنانظام دعم القرار(1-Vجي إسVP)2،{\displaystyle I_{\text{DS}}=I_{\text{DSS}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right)^{2},}

حيث I DSS هو تيار التشبع عند جهد البوابة-المصدر الصفري، أي الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يتدفق عبر FET من المصرف إلى المصدر عند أي جهد (مسموح به) من المصرف إلى المصدر (انظر، على سبيل المثال، مخطط خصائص I – V أعلاه).

في منطقة التشبع ، يتأثر تيار تصريف JFET بشكل كبير بجهد البوابة-المصدر ويتأثر بشكل طفيف بجهد المصرف-المصدر.

إذا كان تطعيم القناة منتظمًا، بحيث ينمو سمك منطقة الاستنزاف بما يتناسب مع الجذر التربيعي للقيمة المطلقة لجهد البوابة-المصدر، فيمكن التعبير عن سمك القناة b بدلالة سمك القناة عند الانحياز الصفري a كما هو [ 20 ].

ب=أ(1-Vجي إسVP)،{\displaystyle b=a\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right),}

أين

V P هو جهد الانقطاع - جهد البوابة-المصدر الذي يصبح عنده سمك القناة صفراً. 
يمثل a سمك القناة عند جهد البوابة-المصدر الصفري.

الموصلية العابرة

تُعطى الموصلية الانتقالية لترانزستور الوصلة FET بالعلاقة التالية:

زم=2أنانظام دعم القرار|VP|(1-Vجي إسVP)،{\displaystyle g_{\text{m}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{|V_{\text{P}}|}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right),}

أينVP{\displaystyle V_{\text{P}}}يمثل جهد القطع، و I DSS هو تيار المصرف الأقصى. ويُسمى هذا أيضًازfs{\displaystyle g_{\text{fs}}}أوyfs{\displaystyle y_{\text{fs}}}(لأغراض التحويل ). [ 21 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هول، جون. "ترانزستور JFET المنفصل" (ملف PDF) . linearsystems.com . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09.
  2. ↑ "ترانزستور تأثير المجال الوصلي" . دروس في الإلكترونيات . مؤرشف من الأصل بتاريخ 31 يناير 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يونيو 2022 .
  3. ^ جروندمان ، ماريوس (2010). فيزياء أشباه الموصلات . سبرينغر-فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-642-13884-3.
  4. 1 2 أجهزة تأثير المجال ذات الوصلة ، أجهزة أشباه الموصلات لتكييف الطاقة ، 1982.
  5. 1 2 فلاهيرتي، نيك (18 أكتوبر 2018)، "الجيل الثالث من ترانزستورات JFET المصنوعة من كربيد السيليكون يضيف خياري 1200 فولت و650 فولت" ، مجلة إدارة الطاقة EeNews.
  6. ↑ لمناقشة بنية وتشغيل ترانزستور تأثير المجال الوصلي (JFET)، انظر على سبيل المثال: D. Chattopadhyay (2006). "§13.2 ترانزستور تأثير المجال الوصلي (JFET)" . الإلكترونيات (الأساسيات والتطبيقات) . دار نيو إيج إنترناشونال. الصفحات 269 وما بعدها . ISBN  978-8122417807.
  7. 1 2 3 "ترانزستور تأثير المجال الوصلي (JFET)" (ملف PDF) . ملاحظات محاضرة ETEE3212 . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09. قيمة vGS ... التي تُستنفد عندها القناة تمامًا ... تُسمى جهد العتبة ، أو جهد الانقطاع ، وتحدث عند vGS = VGS (OFF) . ... تُسمى منطقة التشغيل الخطية هذه بالمنطقة الأومية (أو أحيانًا منطقة التريود ). ... بعد تجاوز نقطة انحناء المنطقة الأومية، تصبح المنحنيات مسطحة بشكل أساسي في منطقة التشغيل النشطة (أو منطقة التشبع ) .
  8. ↑ سيدرا، عادل س.؛ سميث، كينيث س. "5.11 ترانزستور تأثير المجال الوصلي (JFET)" (ملف PDF) . دوائر إلكترونية دقيقة . مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09. عند هذه القيمة لـ vGS ، تكون القناة مستنفدة تمامًا... بالنسبة لترانزستورات JFET، يُطلق على جهد العتبة اسم جهد القطع ويُرمز له بـ VP .
  9. ↑ هورويتز، بول؛ هيل، وينفيلد (1989). فن الإلكترونيات ( الطبعة الثانية). كامبريدج [إنجلترا]: مطبعة جامعة كامبريدج. ص 120. ISBN   0-521-37095-7OCLC 19125711. بالنسبة لترانزستورات JFET ، يُطلق على جهد البوابة-المصدر الذي يقترب عنده تيار المصرف من الصفر اسم "جهد قطع البوابة-المصدر"، V<sub> GS</sub>(OFF) ، أو "جهد الانقطاع"، V<sub> P</sub> ... أما بالنسبة لترانزستورات MOSFET من نوع التحسين، فإن الكمية المماثلة هي "جهد العتبة". 
  10. 1 2 ميهتا، في كي؛ ميهتا، روهيت (2008). "19 ترانزستور تأثير المجال" (ملف PDF) . مبادئ الإلكترونيات ( الطبعة الحادية عشرة). إس. تشاند. الصفحات 513-514 . ISBN   978-8121924504OCLC 741256429. مؤرشف من الأصل (PDF) بتاريخ 9 أكتوبر 2022. جهد الانقطاع ( V<sub> P </sub> ). هو أدنى جهد بين المصرف والمصدر يصبح عنده تيار المصرف ثابتًا تقريبًا. ... جهد قطع البوابة-المصدر (V<sub> GS</sub>(off)) . هو جهد البوابة-المصدر الذي تنقطع عنده القناة تمامًا ويصبح تيار المصرف صفرًا. 
  11. 1 2 يو. أ. باكشي؛ أتول ب. جودسي (2008). هندسة الإلكترونيات . منشورات تقنية. ص 10. ISBN  978-81-8431-503-5لا تخلط بين جهد القطع وجهد الانقطاع. جهد الانقطاع ( P) هو قيمة جهد المصرف-المصدر (VDS ) التي يصل عندها تيار المصرف إلى قيمة ثابتة لقيمة معينة من جهد البوابة- المصدر (VGS ) . ... أما جهد القطع ( VGS(off)) فهو قيمة جهد البوابة-المصدر (VGS ) التي يكون عندها تيار المصرف صفرًا.
  12. ↑ "ورقة بيانات J201" (ملف PDF) . مؤرشفة (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2021-01-22 .
  13. ↑ "سلسلة U/J/SST308 - مضخم JFET أحادي القناة عالي التردد من النوع N" (ملف PDF) . 25-07-2019 . تاريخ الاسترجاع: 03-02-2025 .
  14. ↑ "A4.11 ظرف أو مرفق". ANSI Y32.2-1975 (PDF) . مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09. يجوز حذف رمز الظرف أو المرفق من رمز يشير إلى هذه الفقرة، حيث لا يؤدي ذلك إلى حدوث لبس.
  15. ↑ كوب، إيميلي (16 يناير 2019). "ما الفرق بين MOSFET وJFET؟" . نصائح في إلكترونيات الطاقة . مؤرشف من الأصل في 17 مايو 2021. تم الاطلاع عليه في 16 يونيو 2022 .
  16. ↑ "ما هي المنطقة الأومية لترانزستور FET؟" . www.learningaboutelectronics.com . تاريخ الاسترجاع: 13 ديسمبر 2020. المنطقة الأومية... تُسمى أيضًا المنطقة الخطية
  17. 1 2 بالبير كومار وشايل ب. جاين (2013). الأجهزة والدوائر الإلكترونية . دار نشر PHI Learning Pvt. Ltd.، الصفحات 342-345 . ISBN  9788120348448.
  18. ↑ "ترانزستور تأثير المجال الوصلي" . دروس في الإلكترونيات . منطقة التشبع أو المنطقة النشطة
  19. ↑ شولبرغ، كيت (23-03-2017). "ما معنى "منطقة الانقطاع"؟" . تشير "منطقة الانقطاع" (أو "منطقة التشبع") إلى تشغيل ترانزستور FET معVدs{\displaystyle V_{ds}}أكثر من بضعة فولتات.
  20. ↑ ستور، واين (2013-09-03). "شرح ترانزستور تأثير المجال الوصلي أو JFET" . دروس أساسية في الإلكترونيات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2022-10-07 .
  21. ↑ كيرت بلاتنبرغر، مقهى الترددات الراديوية. "ترانزستورات JFET: كيف تعمل، وكيف تستخدم، مايو 1969، مجلة الإلكترونيات الراديوية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يناير 2021. y fs – مُعامل النقل الأمامي ذو الإشارة الصغيرة والمصدر المشترك (يُسمى أحيانًا g fs – مُعامل التوصيل) .