Junction Field-Effect Transistors (JFET): ontwerp, werking en geavanceerde varianten

Het field-effect transistor concept dateert terug naar Julius Lilienfelds Amerikaanse octrooien uit 1926 en 1933 (1.900.018). In 1947 onderzochten Shockley, Brattain en Bardeen het apparaat, maar praktische hinderpaarden leidden hen naar de bipolaire transistor. Shockley's seminale theorie verscheen in 1952, doch pas in 1960 fabricageerde John Atalla een werkende JFET, wat een mijlpaal markeerde in halfgeleiderverwerking.

Een field-effect transistor (FET) is een unipolair apparaat dat stroom geleidt met een enkel type laddrager. Een N-type plak bevat elektronen, terwijl een P-type plak gaten draagt.

FET werking

Op schakelingniveau beheerst de gatesspanning de kanaalweerstand tussen source en drain. In een N-kanaal apparaat is het kanaal een licht gedopte N-type siliciumplak; de zwaar gedopte P-type gebieden aan weerskanten vormen de gate, analoog aan de basis van een BJT. De source en drain terminalen corresponderen respectievelijk met de emitter en collector.

Het fabriceren van FETs vereist een schone-ruimte omgeving. Zelfs kleine verontreiniging kan het apparaat compromitteren, wat fabricage uitdagender maakt dan voor bipolaire transistoren. Vandaag de dag gebruiken de meeste geïntegreerde schakelingen metal-oxide-semiconductor (MOS) FETs, maar discrete JFETs blijven in gebruik.

Junction field-effect transistor doorsnede.

In een correct gebiaiseerde N-kanaal JFET vormt de gate een achterwaarts-gebiaiseerde diodeknooppunt met de source-drain plak. Wanneer een spanning wordt toegepast tussen source en drain, geleidt het licht gedopte N-type kanaal in beide richtingen—geen gatebias is nodig voor geleiding. Toepassen van een achterwaartse bias op de gate vergroot echter het depletiegebied, wat de kanaalweerstand verhoogt. De gatesspanning waarbij het kanaal afsnijt wordt de pinch-off spanning (V_P) genoemd, typisch enkele volt.

Figuur 1 illustreert hoe het depletiegebied groeit naarmate de achterwaartse bias toeneemt: (a) initiële depletie, (b) matige bias vergroot het depletiegebied, (c) hogere bias vernauwt het kanaal, en (d) pinch-off treedt op, wat de weerstand dramatisch verhoogt.

Source en drain zijn uitwisselbaar, wat stroom in beide richtingen toestaat voor lage drainspanningen (<0,6 V). Voor hogere drainvoedingen (tientallen volt) strekt het depletiegebied zich uit naar de drain, wat de kanaalweerstand licht verhoogt. Het schematische symbool voor een N-kanaal FET wordt hieronder getoond, met de gatepijl die het diode-achtige knooppunt aangeeft.

N-kanaal JFET: doorsnede (a) en schematisch symbool (b). De pijl wijst in dezelfde richting als een knooppuntdiode. De niet-wijzende balk duidt op N-type materiaal.

In een P-kanaal apparaat keeren de rollen om: het kanaal is P-type, de gate is zwaar gedopt N-type, en alle spanningpolariteiten keren om ten opzichte van de N-kanaal configuratie. De schematische pijl wijst naar buiten vanaf de gate.

P-kanaal JFET: (a) doorsnede, (b) schematisch symbool. Toename positieve gatebias verhoogt weerstand, wat drainstroom verlaagt.

Discrete JFETs worden gefabriceerd met de gate op het waferoppervlak, zwaar gedopt P⁺ om een wijd depletiegebied te bieden, en zwaar gedopte N⁺ source/drain om contactweerstand te minimaliseren. Het licht gedopte N⁻ kanaal stelt diepe penetratie van gate-geïnduceerde depletie toe.

JFET apparaat doorsnedes: (a) discrete apparaat, (b) schematisch symbool, (c) geïntegreerde-schakeling layout.

Geïntegreerde-schakeling FETs blootstellen alle drie terminalen aan de die-oppervlak, wat metallisatielagen in staat stelt om meerdere apparaten te interconnecteren. Voor hoogfrequente analoge toepassingen wordt het kanaal onder de gate heel dun gemaakt, wat de noodzaak voor gategebieden aan beide kanten elimineert.

Static Induction Transistor (SIT)

SITs zijn kort-kanaal, begraven-gate apparaten ontworpen voor vermogensafhandeling. Ze hebben lage gateweerstand en minimale gate-naar-bron capaciteit, wat snelle schakeling toestaat. SITs kunnen honderden ampères leveren, duizenden volt, en frequenties tot 10 GHz bereiken.

Metal-Semiconductor FET (MESFET)

MESFETs lijken op JFETs, maar gebruiken een Schottky metalen contact als de gate in plaats van een knooppuntdiode. De Schottky gate biedt lagere capaciteit en hogere snelheid. MESFETs zijn depletion-mode apparaten (normaal aan) en worden gebruikt als microgolf vermogensversterkers tot 30 GHz. Ze kunnen gefabriceerd worden op silicium, galliumarsenide, indiumfosfide, siliciumcarbide en diamant.

Kernpunten

• JFETs zijn unipolaire apparaten; kanaalgeleiding berust op een enkel ladragertype.
• De gate's achterwaartse bias controleert kanaalweerstand via depletiegebied expansie.
• Source, gate en drain mappen direct op BJT emitter, basis en collector.
• Geavanceerde varianten—SIT en MESFET—breiden JFET principes uit naar hoge-vermogen en hoge-frequentie toepassingen.

Vervolgleren

• Junction Field-Effect Transistors (JFET) werkblad