JFET-транзистор: характеристики, описание, применение

JFET-транзисторы находят широкое применение в радиотехнике благодаря высокому входному сопротивлению и низкому уровню собственных шумов. Давайте разберемся, как устроен JFET, каковы его основные характеристики и области использования.

Устройство JFET транзистора

JFET (англ. Junction Field Effect Transistor) - полевой транзистор с управляющим p-n переходом. В отличие от биполярного транзистора, где управление осуществляется током через базу, в JFET управление током сток-исток производится при помощи электрического поля, приложенного к затвору.

Упрощенная структура JFET транзистора выглядит следующим образом:

Исток - область, из которой носители заряда входят в канал
Сток - область, куда носители заряда попадают из канала
Затвор - электрод управления, формирующий электрическое поле в канале

В зависимости от типа проводимости канала, различают JFET с n-каналом и с p-каналом. В первом случае основными носителями заряда являются электроны, во втором - дырки.

Основные преимущества JFET транзисторов:

Высокое входное сопротивление (108-1012 Ом)
Низкий уровень собственных шумов
Простота схемы по сравнению с биполярными транзисторами

Благодаря этим свойствам, JFET нашли широкое применение в усилителях радиочастот.

Статические характеристики JFET

Основными статическими характеристиками JFET являются:

Вольт-амперная характеристика сток-исток
Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток
Входные и выходные характеристики

Рассмотрим их подробнее.

Вольт-амперная характеристика сток-исток показывает зависимость тока стока I_C от напряжения сток-исток U_CK при фиксированных значениях напряжения на затворе. Характерной особенностью ВАХ JFET является насыщение - при увеличении напряжения ток стока перестает расти и выходит на некоторое постоянное значение I_DS.

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток демонстрирует изменение I_DS при изменении напряжения U_GS между затвором и истоком. При достижении определенного значения U_GS, называемого напряжением отсечки U_отс, ток стока падает практически до нуля.

Входные характеристики показывают зависимость тока затвора I₃ от напряжения U_GS. Благодаря высокому входному сопротивлению, входной ток JFET крайне мал.

Выходные характеристики - это семейство ВАХ сток-исток при различных фиксированных значениях напряжения on затворе U_GS.

Таким образом, статические характеристики полностью описывают поведение JFET транзистора в установившихся режимах. Эти данные необходимы при расчете и моделировании схем на JFET.

Динамические характеристики JFET

К динамическим характеристикам JFET относят:

Входную емкость
Выходную емкость
Частотные свойства
Коэффициент усиления

Входная емкость JFET формируется за счет емкости p-n перехода затвор-канал. Она составляет единицы пикофарад и является важным фактором, влияющим на частотные свойства JFET.

Выходная емкость обусловлена наличием обедненной области между каналом и подложкой. Величина выходной емкости - десятки пикофарад.

Частотные свойства JFET определяются в основном входной емкостью C_gs. Максимальная частота усиления f_max для кремниевых JFET составляет сотни мегагерц.

Коэффициент усиления JFET по напряжению в схеме с общим истоком может достигать нескольких десятков. Коэффициент усиления по мощности типично лежит в диапазоне от 10 до 100.

Динамические характеристики позволяют оценить быстродействие JFET и частотные свойства схем на его основе.

Модели JFET в схемотехнике

JFET транзисторы могут включаться в схемы различными способами:

С общим истоком
С общим стоком
С общим затвором

Наиболее распространено включение JFET с общим истоком, обеспечивающее максимальное усиление сигнала. Схема с общим стоком используется как повторитель напряжения, а схема с общим затвором - для работы на высоких частотах.

Кроме того, JFET применяются в схемах:

Сдвига уровня
Дифференциальных каскадов
Генераторов

Для моделирования работы JFET в SPICE используются различные модели, наиболее точной из которых является модель Shichman-Hodges.

Таким образом, JFET транзисторы предоставляют разнообразные возможности при разработке аналоговых схем, благодаря своим уникальным свойствам.

Примеры применения JFET

Благодаря высокому входному сопротивлению, низкому уровню шумов и простоте схем, JFET транзисторы широко используются в следующих устройствах:

Низкочастотные усилители звукового диапазона
Радиочастотные и высокочастотные усилители
Генераторы синусоидальных и прямоугольных колебаний
Импульсные источники питания
Датчики магнитного поля и температуры

Рассмотрим некоторые примеры подробнее.

В низкочастотных усилителях JFET ценятся за малый коэффициент шума, позволяющий сохранять высокое качество звучания. JFET используются в входных каскадах усилителей звука, в том числе высококачественных hi-fi систем.

Радиочастотные усилители на JFET могут работать на частотах до сотен МГц, обеспечивая достаточное усиление с минимальными искажениями. Их применяют в усилителях промежуточной частоты радиоприемников.

В генераторах синусоидальных колебаний используют схемы с включением JFET по контуру обратной связи. Высокое входное сопротивление JFET позволяет получать колебания высокой чистоты.

Датчики Halla на основе JFET используют эффект Холла для преобразования магнитного поля в электрический сигнал. JFET обеспечивает малые искажения слабых сигналов датчика.

Таким образом, JFET транзисторы обладают уникальным набором свойств, что определяет их широкое применение в радиоэлектронике.

Технология изготовления JFET

JFET транзисторы изготавливаются по схожей с MOSFET технологии с применением планарного процесса на пластинах кремния или арсенида галлия. Рассмотрим основные этапы изготовления.

На подготовленную полупроводниковую подложку методом диффузии или ионной имплантации вводят легирующие примеси для формирования областей истока и стока. Затем между ними создается канал требуемого типа проводимости.

Для создания управляющего p-n перехода на поверхность полупроводника наносится область с противоположным типом проводимости, которая и формирует затвор JFET.

После формирования всех областей полупроводника проводится металлизация - нанесение контактных площадок для подключения истока, стока и затвора. На заключительном этапе происходит сборка кристаллов JFET в корпуса и тестирование параметров.

Сравнение JFET с биполярным транзистором

Хотя принцип действия JFET и биполярного транзистора различен, между ними есть определенное сходство:

Исток JFET аналогичен эмиттеру биполярного транзистора
Сток JFET выполняет функцию, схожую с коллектором
Затвор JFET подобен базе биполярного транзистора

Однако есть и принципиальные отличия:

JFET управляется напряжением, а биполярный транзистор - током
JFET обладает более высоким входным сопротивлением
JFET создает меньше шумов, особенно на низких частотах

Благодаря этому, JFET предпочтительны в низкочастотных усилителях и входных каскадах, а биполярные транзисторы - при большой мощности и на средних частотах.

Перспективы развития JFET

Основные направления совершенствования JFET транзисторов:

Уменьшение размеров за счет применения нанотехнологий
Повышение максимальной частоты усиления
Увеличение максимальной мощности
Расширение рабочего температурного диапазона
Создание гетероструктурных JFET на основе соединений A3B5

Эти улучшения позволят использовать JFET во многих новых областях - мобильной связи, быстродействующих цифровых устройствах, измерительной технике, а также расширить их применение в традиционных сферах - радиоприемниках и усилителях.