Junction Field-effect Transistors

De veldeffecttransistor werd voorgesteld door Julius Lilienfeld in Amerikaanse octrooien in 1926 en 1933 (1.900.018). Bovendien deden Shockley, Brattain en Bardeen in 1947 onderzoek naar de veldeffecttransistor. De extreme moeilijkheden brachten hen echter op een zijspoor om in plaats daarvan de bipolaire transistor uit te vinden. De veldeffecttransistortheorie van Shockley werd in 1952 gepubliceerd. De materiaalverwerkingstechnologie was echter niet volwassen genoeg tot 1960, toen John Atalla een werkend apparaat produceerde.

Een veldeffecttransistor (FET) is een unipolaire apparaat, dat een stroom geleidt met slechts één soort ladingsdrager. Indien gebaseerd op een N-type halfgeleiderplaat, zijn de dragers elektronen. Omgekeerd gebruikt een op P-type gebaseerd apparaat alleen gaten.

FET-bewerking

Op circuitniveau is de werking van de veldeffecttransistor eenvoudig. Een spanning aangelegd op de poort , invoerelement, regelt de weerstand van het kanaal , het unipolaire gebied tussen de poortgebieden. (Figuur hieronder) In een N-kanaalapparaat is dit een licht gedoteerde N-type plak silicium met terminals aan de uiteinden. De bron en afvoer terminals zijn analoog aan respectievelijk de emitter en collector van een BJT. In een N-kanaalapparaat dient een zwaar P-type gebied aan beide zijden van het midden van de plaat als stuurelektrode, de poort. De poort is analoog aan de basis van een BJT.

"Reinheid is naast goddelijkheid" is van toepassing op de fabricage van veldeffecttransistoren. Hoewel het mogelijk is om bipolaire transistors te maken buiten een clean room , het is een noodzaak voor veldeffecttransistoren. Zelfs in een dergelijke omgeving is de fabricage lastig vanwege problemen met de verontreinigingsbeheersing. De unipolaire veldeffecttransistor is conceptueel eenvoudig, maar moeilijk te vervaardigen. De meeste transistors zijn tegenwoordig een metaaloxide-halfgeleidervariant (later gedeelte) van de veldeffecttransistor die zich in geïntegreerde schakelingen bevindt. Er zijn echter discrete JFET-apparaten beschikbaar.

Dwarsdoorsnede van de junctie-veldeffecttransistor.

Een correct voorgespannen N-kanaals junctie-veldeffecttransistor (JFET) wordt getoond in het bovenstaande figuur. De poort vormt een diodeovergang naar de bron om de halfgeleiderplaat af te voeren. De poort is omgekeerd bevooroordeeld. Als er een spanning (of een ohmmeter) zou worden aangelegd tussen de source en drain, zou de N-type staaf in beide richtingen geleiden vanwege de dotering. Noch gate noch gate bias is vereist voor geleiding. Als een poortovergang wordt gevormd zoals weergegeven, kan de geleiding worden geregeld door de mate van omgekeerde voorspanning.

Afbeelding hieronder (a) toont het uitputtingsgebied bij de poortovergang. Dit komt door diffusie van gaten van het P-type poortgebied in het N-type kanaal, waardoor de ladingsscheiding rond de junctie ontstaat, met een niet-geleidend uitputtingsgebied bij de junctie. Het uitputtingsgebied strekt zich dieper uit in de kanaalzijde door de zware poortdoping en lichte kanaaldoping.

N-kanaal JFET:(a) Uitputting bij poortdiode. (b) Omgekeerde voorgespannen poortdiode vergroot het uitputtingsgebied. (c) Toenemende omgekeerde vooringenomenheid vergroot het uitputtingsgebied. (d) Toenemende reverse bias-knijpt van het SD-kanaal.

De dikte van het uitputtingsgebied kan worden vergroot in figuur hierboven (b) door een gematigde omgekeerde voorspanning toe te passen. Dit verhoogt de weerstand van het bron-naar-afvoerkanaal door het kanaal te versmallen. Het vergroten van de omgekeerde voorspanning bij (c) vergroot het uitputtingsgebied, verkleint de kanaalbreedte en verhoogt de kanaalweerstand. Het verhogen van de reverse bias VGS bij (d) zal afknijpen de kanaalstroom. De kanaalweerstand zal zeer hoog zijn. Deze VGS waarbij afknijpen optreedt is VP, de afknijpspanning. Het is meestal een paar volt. Kortom, de kanaalweerstand kan worden geregeld door de mate van omgekeerde voorspanning op de poort.

De bron en afvoer zijn uitwisselbaar en de stroom van bron naar afvoer kan in beide richtingen stromen voor een lage batterijspanning (<0,6 V). Dat wil zeggen, de lege batterij kan worden vervangen door een laagspanningswisselstroombron. Voor een voedingsspanning met een hoog afvoervermogen, tot 10 volt voor kleine signaalapparaten, moet de polariteit zijn zoals aangegeven in onderstaande afbeelding (a). Deze afvoerstroomvoorziening, niet getoond in voorgaande figuren, vervormt het uitputtingsgebied en vergroot het aan de afvoerzijde van de poort. Dit is een meer correcte weergave voor gemeenschappelijke DC-afvoervoedingsspanningen, van enkele tot tientallen volt. Naarmate de afvoerspanning VDS toenam, breidt het poortuitputtingsgebied zich uit naar de afvoer. Dit vergroot de lengte van het smalle kanaal, waardoor de weerstand een beetje toeneemt. We zeggen "een beetje" omdat grote weerstandsveranderingen te wijten zijn aan veranderende gate-bias. Afbeelding hieronder (b) toont het schematische symbool voor een N-kanaals veldeffecttransistor vergeleken met de siliciumdoorsnede bij (a). De poortpijl wijst in dezelfde richting als een junctiediode.

De "wijzende" pijl en de "niet-wijzende" balk komen respectievelijk overeen met P- en N-type halfgeleiders.

N-kanaal JFET-stroom van afvoer naar bron in (a) doorsnede, (b) schematisch symbool.

Afbeelding hierboven toont een grote stroom van (+) accupool naar FET-afvoer, uit de bron, terugkerend naar de (-) accupool. Deze stroom kan worden geregeld door de poortspanning te variëren. Een belasting in serie met de batterij ziet een versterkte versie van de veranderende poortspanning.

P-kanaal veldeffecttransistoren zijn ook beschikbaar. Het kanaal is gemaakt van P-type materiaal. De poort is een zwaar gedoteerd N-type gebied. Alle spanningsbronnen zijn omgekeerd in het P-kanaalcircuit (figuur hieronder) in vergelijking met het meer populaire N-kanaalapparaat. Merk ook op dat de pijl uit de poort van het schematische symbool (b) van de P-kanaal veldeffecttransistor wijst.

P-kanaal JFET:(a) N-type poort, P-type kanaal, omgekeerde spanningsbronnen vergeleken met N-kanaals apparaat. (b) Let op omgekeerde poortpijl en spanningsbronnen in het schema.

Naarmate de positieve gate-biasspanning wordt verhoogd, neemt de weerstand van het P-kanaal toe, waardoor de stroom in het afvoercircuit afneemt.

Discrete apparaten worden vervaardigd met de doorsnede die wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. De dwarsdoorsnede, zodanig georiënteerd dat deze overeenkomt met het schematische symbool, staat ondersteboven ten opzichte van een halfgeleiderwafel. Dat wil zeggen, de poortverbindingen bevinden zich aan de bovenkant van de wafer. De poort is zwaar gedoteerd, P+, om gaten goed in het kanaal te diffunderen voor een groot uitputtingsgebied. De source- en drain-aansluitingen in dit N-kanaals apparaat zijn zwaar gedoteerd, N+ om de aansluitweerstand te verlagen. Het kanaal rond de poort is echter licht gedoteerd om gaten van de poort diep in het kanaal te laten diffunderen. Dat is de N-regio.

Junction-veldeffecttransistor:(a) dwarsdoorsnede van discrete apparaten, (b) schematisch symbool, (c) dwarsdoorsnede van geïntegreerde schakelingen.

Alle drie de FET-aansluitingen zijn beschikbaar aan de bovenkant van de matrijs voor de versie met geïntegreerde schakelingen, zodat een metallisatielaag (niet weergegeven) meerdere componenten kan verbinden. (Figuur hierboven (c)) FET's met geïntegreerde schakelingen worden gebruikt in analoge circuits voor de hoge poortingangsweerstand. Het N-kanaalgebied onder de poort moet erg dun zijn, zodat het intrinsieke gebied rond de poort het kanaal kan besturen en afknijpen. Poortgebieden aan beide zijden van het kanaal zijn dus niet nodig.

ZITTEN

Junction-veldeffecttransistor (type statische inductie):(a) doorsnede, (b) schematisch symbool.

De statische inductie-veldeffecttransistor (SIT) is een apparaat met een kort kanaal met een begraven poort. (Figuur hierboven) Het is een stroomapparaat, in tegenstelling tot een klein signaalapparaat. De lage poortweerstand en lage poort-naar-broncapaciteit zorgen voor een snel schakelend apparaat. De SIT is in staat tot honderden ampères en duizenden volts. En zou in staat zijn tot een ongelooflijke frequentie van 10 GHz.

Metaalhalfgeleider veldeffecttransistor (MESFET):(a) schematisch symbool, (b) doorsnede.

MESFET

De Metalen halfgeleider veldeffecttransistor (MESFET) is vergelijkbaar met een JFET, behalve dat de poort een schottky-diode is in plaats van een junction-diode. Een schottky-diode is een metalen gelijkrichtend contact met een halfgeleider in vergelijking met een meer gebruikelijk ohms contact. In bovenstaande figuur zijn de source en drain zwaar gedoteerd (N+). Het kanaal is licht gedoteerd (N-). MESFET's zijn sneller dan JFET's. De MESFET is een apparaat in de uitputtingsmodus, normaal gesproken ingeschakeld, zoals een JFET. Ze worden gebruikt als microgolfvermogensversterkers tot 30 GHz. MESFET's kunnen worden vervaardigd uit silicium, galliumarsenide, indiumfosfide, siliciumcarbide en de diamantallotroop van koolstof.

BEOORDELING:

• De unipolaire junctie-veldeffecttransistor (FET of JFET) wordt zo genoemd omdat geleiding in het kanaal te wijten is aan één type draaggolf
• De JFET source, gate en drain komen overeen met respectievelijk de emitter, base en collector van de BJT.
• Toepassing van omgekeerde voorspanning op de poort varieert de kanaalweerstand door het uitputtingsgebied van de poortdiode uit te breiden.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Junction field-effect transistors (JFET) werkblad