Unipolarne tranzystory polowe JFET

Tranzystory polowe – w skrócie JFET (Junction Field Effect Transistor) nazywane są również tranzystorami unipolarnymi. Działanie tych tranzystorów polega na kontrolowanym przepływie nośników jednego rodzaju – elektronów lub dziur. Sterowanie przepływem tych nośników odbywa się za pośrednictwem zmian pola elektrycznego.

Tranzystor JFET zbudowany jest z płytki z jednego typu półprzewodnika (p lub n), która stanowi tzw. kanał. Na końcach kanału znajdują się styki źródła (ang. source – S) i drenu (ang. drain – D). Dookoła środkowej części kanału (lub po obu jego stronach) występuje bramka – obszar półprzewodnika przeciwnego typu -jeżeli kanał jest typu n, to bramka jest typu p, i odwrotnie – gdy kanał jest typu p, to bramka jest wykonana z półprzewodnika typu n.

Budowa tranzystorów JFET

Na rysunku 1 przedstawiono symbole graficzne i budowę tranzystorów JFET typu n i typu p.

Najczęściej stosowane są tranzystory JFET typu n. Praktyczna różnica pomiędzy tranzystorami typu n i p polega na polaryzacji napięcia sterującego przepływem prądu. W tranzystorze JFET prąd może płynąć w dwóch kierunkach: od źródła do drenu lub od drenu do źródła. Napięcie sterujące przepływem prądu podawane jest pomiędzy bramkę i źródło. Pomiędzy bramką i kanałem tranzystora JFET tworzy się złącze n-p.

Przy małej wartości napięcia dren – źródło (U_DS > 0) oraz przy braku polaryzacji bramki (U_gs– = 0) warstwa zaporowa złącza bramka – kanał wnika na niewielką głębokość do obszaru kanału.

Gdy pomiędzy dren i źródło przyłączymy napięcie, pomiędzy drenem a źródłem popłynie prąd drenu I_D zależny liniowo od napięcia U_DS. Prąd ten jest prądem nośników większościowych (elektronów w przypadku kanału typu n, dziur w przypadku kanału typu p).

Gdy wzrasta napięcie L_Gs polaryzujące zaporowo złącze bramka-kanał, warstwa zaporowa rośnie i kanał zawęża się. Rezystancja kanału rośnie, a wartość prądu drenu maleje. Przy dalszym wzroście napięcia U_GS nastąpi zetknięcie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału. Prąd drenu maleje do zera. Ten stan tranzystora nazywa się odcięciem (ang. pinch-off) lub zatkaniem. Wartość napięcia U_GS, przy której tranzystor wchodzi w stan zatkania, nazywa się napięciem odcięcia (ang.pinch-off voltage) lub zatkania i jest ozraczana przez U_GS0Ff lub U_p. Dalszy wzrost napięcia U_os nie wpływa na prąd drenu, a w skrajnym wypadku może doprowadzić do przebicia złącza bramka-kanał. W stanie zatkania tranzystor posiada bardzo dużą rezystancję między źródłem a drenem, rzędu gigaomów.

Co można powiedzieć o tranzystorach JFET?

Porównując zachowanie tranzystorów JFET i tranzystorów bipolarnych można powiedzieć, że:

• tranzystory bipolarne są elementami normalnie wyłączonymi – w przypadku braku prądu bazy nie płynie prąd kolektora lub emitera,
• tranzystory JFET są elementami normalnie włączonymi -przy braku napięcia sterującego U_Gs przez kanał płynie maksymalny prąd,
• tranzystory bipolarne są elementami sterowanymi prądowo,
• tranzystory JFET sterowane są napięciowo.

Przy polaryzacji zaporowej złącza bramka-źródło tranzystora JFET prąd bramki jest bardzo mały, a rezystancja wejściowa tranzystora jest bardzo duża.

Teoretycznie tranzystor JFET może też pracować przy napięciu U_GS polaryzującym złącze bramka-kanał w kierunku przewodzenia, jeśli tylko to napięcie jest mniejsze od napięcia dyfuzyjnego dla złącza n-p (ok. 0.7V). Wówczas tranzystor ma małą rezystancję wejściową i w obwodzie bramka-źródło płynie dość duży prąd przewodzenia. Prąd drenu przy takim sterowaniu zachowuje stałą wartość, niezależnie od napięcia U_DS.

Strzałka w symbolu graficznym tranzystor JFET pokazuje kierunek przepływu prądu bramki gdy złącze bramka – źródło polaryzowane jest w kierunku przewodzenia. Taki tryb pracy nie jest stosowany w praktyce. Tranzystor zachowuje się wówczas tak, jakby pomiędzy bramką a źródłem była włączona dioda.

Tranzystor JFET jako element przełączający

Tranzystory JFET podobnie jak tranzystory bipolarne mogą być stosowane jako elementy przełączające.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat prostego układu, w którym tranzystor JFET pracuje jako element załączający lampę.

Prąd w tranzystorze JFET może płynąć przez kanał w obu kierunkach. Dlatego właśnie symbol graficzny tranzystora JFET nie wyróżnia drenu i źródła. W praktyce zamiana wyprowadzeń drenu i źródła w układzie nie ma znaczenia, jeżeli tylko napięcie polaryzujące złącze bramka -źródło będzie podawane do właściwych wyprowadzeń.

W układzie z rysunku 2 przy braku napięcia DC na bramce (klucz SW rozłączony) kanał tranzystora TR jest otwarty i przez lampę L płynie maksymalny prąd. Aby wyłączyć lampę, do bramki tranzystora należy podać napięcie U_Gs – klucz SW zamknięty. Tranzystor zostaje zatkany i prąd lampy nie płynie. Złącze bramka – źródło jest spolaryzowane zaporowo. Prąd płynący przez zaporowo spolaryzowane złącze jest bardzo mały, moc wymagana do sterowania tranzystora JFET jest pomijalna. Jest to bardzo ważna zaleta tranzystorów JFET.

Ponowne rozłączenie klucza SW – czyli odłączenie napięcia polaryzującego bramkę powinno włączyć tranzystor. W praktyce jednak może się okazać, że po odłączeniu napięcia od bramki prąd w układzie nie popłynie – lampa nie świeci.

Przyczyna leży w zachowaniu się złącza n-p spolaryzowanego zaporowo. Złącze takie działa jak naładowany kondensator i przechowuje ładunek dostarczony podczas przyłączenia napięcia polaryzującego. Ładunek jest przechowywany nawet po odłączeniu napięcia polaryzującego. Aby usunąć ładunek ze złącza należy pomiędzy bramkę i źródło włączyć rezystor, przez który popłynie prąd rozładowujący złącze po odłączeniu napięcia polaryzującego (R na rysunku 2).

Rezystor wraz z pojemnością złącza tworzą stałą czasową RC układu. Wielkość stałej czasowej będzie decydowała o opóźnieniu ponownego załączenia się tranzystora. Wielkość napięcia U_GS przełączającego tranzystor JFET w stan zatkania wynosi zwykle kilka woltów i zależy od zastosowanego tranzystora.

Podsumowanie zasady działania tranzystorów JFET

Wnioski:

• Tranzystory JFET sterują przepływem prądu pomiędzy źródłem i drenem napięciem podawanym pomiędzy bramkę i źródło.
• Napięcie sterujące musi polaryzować złącze bramka-źródło w kierunku zaporowym, aby możliwe było sterowanie wielkością prądu płynącego przez tranzystor.
• Tranzystory JFET są elementami normalnie załączonymi -bez napięcia polaryzującego mogą przewodzić prąd.
• Konieczne może być włączenie rezystora pomiędzy wyprowadzenia bramki i źródła, aby usunąć ładunek ze złącza bramka-źródło.

Testowanie tranzystorów JFET

Testowanie tranzystorów JFET polega na kontroli złącza n-p bramka-źródło i bramka-dren i kontroli rezystancji kanału.

Na rysunku 3 przedstawiono sposób testowania złączy tranzystora JFET typu n. Pomiar rezystancji złącza n-p spolaryzowanego w kierunku zaporowym (rys.3.a) powinien wykazać rozwarcie lub dużą rezystancję. Pomiar rezystancji złącza n-p spolaryzowanego w kierunku przewodzenia (rys.3.b) powinien wykazać zwarcie lub niewielką rezystancję.

Testowanie jednorodności kanału tranzystora polega na kontroli rezystancji kanału. Najlepiej mierzyć rezystancję kanału po umieszczeniu tranzystora w piance antyelektrostatycznej. Pianka będzie działała jak rezystor włączony pomiędzy bramkę i źródło – dzięki temu ze złącza bramka-źródło zostanie usunięty ładunek, który może się tam pojawić w wyniku dotknięcia palcami wyprowadzeń tranzystora. Przypadkowe wprowadzenie ładunku do złącza bramka-źródło może zatkać tranzystor i wyniki pomiaru rezystancji kanału będą nieprawidłowe.

Można również zewrzeć wyprowadzenia bramki i źródła. Mierzona w tym stanie rezystancja kanału powinna być rzędu kilkuset omów.

Porównywarka cen sprzętu RTV