jfet

ترانزستور الأثر الحقلي JFET

تتعدَّد أَنواع التّرانزستورات وتختلف خصائص كلّ منها ومزاياها وعيوبها، وأيضاً استخداماتها، فمنها ما يُستخدم كمفتاح أو مُضخّمات بحسب تكوين الدّارة الكهربائيّة. سنستعرض في هذه المقال أحد أنواع ترانزستورات الأثر الحقلي (Field Effect Transistor (FET، وهو النّوع Junction Field Effect ويُسمَّى اختصاراً بـ JFET.


محتويات المقال:


مقدمة:

ترانزستور الأثر الحقلي ذو النوع JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )
ترانزستور الأثر الحقلي ذو النوع JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )

يملك ترانزستور JFET ثلاثة أرجُل مصنوعة من أنصاف النَّواقل، نتحكَّم بها من خلال الجهد المُطبَّق عليها، وهي:

  • Gate: البوّابة.
  • Source: المنبع.
  • Drain: المصرف.

يتميَّز تيّاره في أنَّه أُحاديّ الاتّجاه، وتتشكّل بين المنبع والمصرف قناة من مادّة نصف ناقلة تأخذ نمطين بحسب التّشويب، هما: قناة من النمط N، وقناة من النمط P، وعليه فإنّ ترانزستورات الـ JFET تنقسم إلى نوعين تبعاً للقناة:

  • الترانزستورات الحقلية ذات القناة N_Channel JFET: تتمّ إشابة القناة بشوائب مانحة، أي قناة ذات إلكترونات وفيرة.
  • الترانزستورات الحقلية ذات القناة P_Channel JFET: تتم إشابة القناة بشوائب متقبّلة، أي ذات ثقوب وفيرة.

يتناسب تيَّار خرج المُجمّع في الترانزستور ثنائي القطبيّة BJT مع تيّار الدّخل المُتدفّق إلى القاعدة، ممّا يجعل ترانزستور BJT يعتمد في عمله على التّيّار (نموذج بيتّا)، فتيّار القاعدة الصغير ينتج عنه تدفّق تيّار حمل كبير. أمّا ترانزستور الأثر الحقلي FET فيستخدِم الجهد المُطبَّق على وحدة الدخل المسمّاة البوّابة للتحكّم في التيّار المتدفّق من خلالها، بحيث يكون تيّار الخرج متناسباً مع جهد الدّخل، وبذلك نجد أنّ عمل الترانزستور FET يعتمد على الجهد، لذلك سُمّيَ بترانزستور الأثر الحقلي.

يتشابه ترانزستور FET مع نظيره التّرانزستور BJT، فكلاهما يملك فعاليّة عالية، وسرعة في العمل، كما يتشابهان في المتانة والرّخص، ويمكن استخدامها في معظم تطبيقات الدّارات الإلكترونيّة باستبدالها مع ما يقابلها من ترانزستورات BJT.

يمكن تصنيع ترانزستورات  FET بشكل أصغر من ترانزستورات BJT المُكافئة، فبسبب استهلاكها المنخفض للطّاقة والضياعات القليلة فيها تعتبر مثاليّة للاستخدام في الدّارات المُتكاملة، مثل أنواع CMOS من الدارات الرقميّة.

يتكوّن ترانزستور BJT من نوعين رئيسيّين يصفان بشكل أساسي التّرتيب الفيزيائيّ لتوضُّع طبقات أنصاف النّواقل  NوP، هما: NPN وPNP، وهذا ينطبق أيضاً على ترانزستورات FET التي كما وجدنا أنّها تنقسم إلى نوعين بحسب نمط إشابة القناة.

تنشأ أرجل ترانزستور الأثر الحقلي بدون وصلة PN ضمن مسار تيّار الحمل الرَّئيسي بين المصرف والمنبع، وتتوافق هذه الأرجل بالوظيفة مع المُجمّع والباعث على التَّرتيب في ترانزستور ثنائي القطب.

يُطلق على مسار التيّار بين المصرف والمنبع اسم “القناة” إمّا من النوع N أو P، وبتغيير الجهد المطبَّق على البوّابة نتحكّم بتدفُّق التيّار عبر هذه القناة.

يشير اسم الترانزستورات ثنائيّة القطب إلى أنّها أجهزة ثنائيّة القطب، كونها تعمل مع كلا النّوعين من ناقلات الشحن، هي الإلكترونات والثُّقوب، بينما ترانزستورات الأثر الحقلي أحادية القطب لأنّها تعمل إمّا مع الإلكترونات أو الثقوب.

يتميَّز ترانزستور FET بميّزة رئيسيّة عن ترانزستور BJT بأنّ مقاومة دخله RIN عالية جدّاً مقارنةً مع مقاومة دخل BJT المنخفضة نسبيَّاً، الأمر الذي يجعله حسَّاس جداً لإشارات دخل الجهد الكهربائي، وسهولة تلفه بسبب الكهرباء السَّاكنة.

يتفرَّع عن ترانزستورات الأثر الحقلي FET نوعان رئيسيّان، هما:

  • ترانزستور الأثر الحقلي ذو الوصلة JFET.
  • ترانزستور الأثر الحقلي ذو البوابة المعزولة IGFET، ويُعرف أيضاً باسم ترانزستور الأثر الحقلي نوع معدن-أكسيد نصف ناقل، أو اختصاراً MOSFET.
نموذج لترانزستور الأثر الحقلي JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )
نموذج لترانزستور الأثر الحقلي JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )

ترانزستور الأثر الحقلي ذو الوصلة JFET

رأينا مُسبقاً أنَّ بنية BJT تتكوَّن من ترتيب توضُّع طبقتي أنصاف النَّواقل N وP ضمن مسار تيّار الحمل بين المجمّع والباعث. لا يملك ترانزستور JFET أو JUGFET طبقتي أنصاف النواقل PN، لكن بدلاً من ذلك يحوي قطعة ذات حساسيّة عالية من مادة نصف ناقلة تشكّل قناة مشوبة إما بالنّوع N أوP من ذرة السيليكون، حيث تتدفٌّق حاملات الشحن الأكثريّة من خلال طرفي الترانزستور، هما المنبع والمصرف.

تتميّز القناة N_Channel JFET عن P_Channel JFET بالنّاقلية العالية، أي المقاومة القليلة لأنّ الإلكترونات لها قدرة على الحركة والتنقُّل خلال ناقل أكبر من الثقوب، وهذا ما يجعلها ناقلاً أكثر كفاءة. يبيّن الجدول أدناه أرجل ترانزستور FET وما يقابلها في BJT:

ترانزستور الأثر الحقلي FET ترانزستور ثنائي القطب BJT
المصرف D المجمعC
البوّابة  G القاعدة B
المنبع S الباعثE

ويُظهر الشكل التالي رمز كل نوع لترانزستور  JFET والبنية الداخليّة لهما أيضاً:

رمز نوعي الترانزستور  JFETوالبنية الداخليّة لهما (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )
رمز نوعي الترانزستور  JFET والبنية الداخليّة لهما (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )

تعتبر قناة ترانزستور JFET ذات طبيعة مقاومة، لذلك يُشكَّل تدرُّج للجهد من أسفل القناة لأعلاها بحيث يصبح هذا الجهد أقل إيجابيّة بالانتقال من المصرف إلى المنبع، ويسبّب الجهد VDS بين المصرف والمنبع تدفّق تيّار المصرف ID بشكل متساوٍ بأحد الاتجاهين.

تنحاز الوصلة PN عكسيّاً عند المصرف، وبقيمة أقل عند المنبع، ممّا يؤدّي إلى تشكيل منطقة العزل Depletion Layer داخل القناة التي يزداد عرضها بزيادة الانحياز. يكمن الفرق الرئيسي بين ترانزستوري JFET وBJT في أنّه عند انحياز JFET عكسيّاً يكون تيّار البوابة معدوماً، في حين يكون تيّار  BJTالأساسي دوماً ذا قيمة أكبر من الصفر.

انحياز القناة N_Channel JFET:

مقطع عرضي في القناة N_channel JFET  وتشكّل منطقة العزل (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )
مقطع عرضي في القناة N_channel JFET  وتشكّل منطقة العزل (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )

يوضّح الشكل  أعلاه المقطع العرضي للقناةN  مع منطقة البوابة من النوع P ومنتشرة في القناة، بحيث تُشكّل الوصلة PN انحياز عكسي يحدث عند تغذية البوابة بجهد سالب يسحب الإلكترونات الحرّة والثُّقوب بعيداً عن منطقة الوصلة، ممّا يجعل منطقة العزل أعرض، وتتشكّل هذه المنطقة حول البوابة عند تطبيق أي جهد خارجي عليها. يعمل هذا النوع من الترانزستورات وفقاً للنمط الإفقاري.

يتفاوت عرض منطقة العزل حول الوصلة PN وفقاً للجهد المطبَّق على البوابة، الأمر الذي يؤثّر على مرور التيّار عبر القناة، فبزيادة عرض منطقة العزل يقل مرور التيّار الكهربائي وتزداد مقاومة القناة نفسها، والعكس صحيح. بالتالي فإنّ الجزء الأكثر استنزافاً من منطقة العزل يقع بين البوابة والمصرف، والمنطقة الأقل استنزافاً تقع بين البوابة والمصدر، ومن ثُمَّ فإنّ القناة تعمل عندما يكون جهد الانحياز المطبّق صفري (أي منطقة العزل قريبة من الصفر).

بتطبيق جهد صغير VDS بين المصرف والمنبع وعدم وجود جهد بوابة خارجي، أي VG=0 فإنّ تيّار الإشباع الأعظمي IDSS سيتدفّق عبر القناة بين المصرف المنبع المقيَّد بمنطقة عبور صغيرة فقط حول الوصلات.

تقلّ المساحة الفعّالة الكليّة للقناة بتطبيق جهد صغير سالب (-VGS) على البوابة، بالتالي يقلّ تدفّق التيار عبرها كنوع من الضغط على القناة، أي عند تطبيق جهد الانحياز العكسي يزداد عرض منطقة العزل التي بدورها تقللّ من ناقليّة القناة للتيّار.

وبما أنّ الوصلة PN منحازة عكسياً فسيتدفَّق تيّار قليل إلى البوابة، لأنّ جهد البوابة أصبح أكثر سلبيّة فإنّ عرض القناة يتناقص كي لا يتدفّق المزيد من التيّار بين المصرف والقناة، وباستمرار تدفّق التيّار يصبح الترانزستور في حالة قطع (مشابه لمنطقة القطع في BJT)، ويسمّى الجهد في هذه الحالة بجهد الاختناق.

حالة القطع في ترانزستور JFET:

حالة القطع في ترانزستور JFET وإغلاق القناة (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials )
حالة القطع في ترانزستور JFET وإغلاق القناة (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials) 

يتحكَّم جهد البوّابة بتدفُّق التيّار عبر القناة، ويكون للجهد VDS تأثير ضئيل أو ليس لديه أي تأثير في هذه الحالة. يعمل الترانزستور بالحالة “ON” عندما يكون الجهد المطبَّق بين المصرف والبوابة VGS معدوماً، وبشكل عام تكون البوابة منحازة عكسياً دوماً بالنسبة للمنبع.

يتدفَّق تيّار القناة بشكل كلّي إلى البوابة بحال كان جهد البوابة موجباً، ممّا يؤدّي إلى تلف الترانزستور ومن ثُمَّ إغلاق القناة، وعندها:

  • سيصل جهد البوابة وكذلك الجهد VDS إلى قيمة لن يزداد بعدها.
  • لن تكون هناك قدرة على التحكّم بالجهد المطبّق على البوابة.
  • سيكون هناك تفاوت في قيم VDS وVGS.
 ترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials) 
ترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials) 

نعكس الجهد المطبَّق على البوابة عندما تكون القناة P_Channel JFET أي يكون الجهد المطبَّق على البوابة موجباً، وتُعكَس مناطق القناة أيضاً.

 منحني خواص ترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)
منحني خواص ترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)

يوضِّح المنحني أعلاه تأثير الجهدVGS  المطبَّق بين البوابة والمنبع، وكذلك الجهدVDS  المطبَّق بين المنبع والمصرف على التيّار المارّ عبر القناة الذي يتحكَّم به الجهد VGS، كما يمرّ تيّار الإشباع IDSS عندما يكون جهد البوابة مساوياً لجهد المنبع، وبحالة الجهد VDS صغير تكون العلاقة خطيّة تقريباً بين تيّار المصرف ID والجهدVDS، وبالتالي توجد أربع مناطق تميّز منحني الخواص، وهي:

  • المنطقة الأوميّة (الخطيّة)Ohmic Region : تكون فيها العلاقة خطيّة بين الجهد والمقاومة، ويسلك الترانزستور JFET فيها سلوك مقاومة يُتحكَّم بها من خلال الجهد.
  • منطقة القطع Cut-Off Region: وفيها يسمّى جهد البوابة بجهد الاختناق، حيث يعمل عنده JFET كدارة مفتوحة، وتكون مقاومة القناة أعظميّة، أي تمنع مرور تيّار المصرف نهائيّاً.
  • المنطقة الفعّالة أو منطقة الإشباع Saturation or Active Region: يصبح عندها الترانزستور ناقل يتحكّم به الجهد VGS، في حين يكون الجهد VDSقليل أو معدوم.
  • منطقة الانهيارBreakdown Region: يفقد الترانزستور قدرته على ممانعة مرور التيّار عبره بسبب القيمة العالية للجهد VDS، وبالتالي التيّار أعظمي.

يتشابه منحني الخواص السابق لترانزستور JFET لكلا قناتيه، لكن في القناة P_Channel JFET  يتناقص تيّار المصرف بزيادة جهد البوابة VGS.

في حالة العمل الطبيعية ينحاز الجهدVGS  ليكون بين 0 وVp، أمّا إذا كان  Vp=VGSفعندها يكون تيّار المصرف صفراً، ويُحسَب عند أي نقطة في أي منطقة كانت كالتالي:

حساب تيار المصرف ID في المنطقة الفعالة:

ID=IDSS[1-VGS/Vp]2

نلاحظ أنّ قيمة التيّار ID تتراوح بين الصفر(حالة القطع) وبين قيمة التيّار IDSS(تيار الإشباع)، وبحساب قيمة ID وأيضاً الجهد VDS نستطيع حساب قيمة مقاومة القناةRDS  كالتالي:

RDS=∆VDS/∆ID=1/gm

حيث gm تُمثّل ربح الناقلية التبادلية للترانزستور، وهي النسبة بين تغيّر تيّار المصرف (الخرج) إلى تغيّر جهد الدخل للعنصر الفعّال.

طرق توصيل الترانزستورات ذات الآثر الحقليFET:

بما أنّ للترانزستور FET  ثلاثة أطراف لذا يمكن توصيله في الدارة بثلاث طرق، وذلك بالاعتماد على الطرف الذي سيُطبّق عليه الدخل، والطرف الذي سيُؤخَذ عنده الخرج، وهذه التوصيلات هي:

  • وصلة المنبع المشترك Common Source CS :

تتشابه هذه الوصلة لترانزستور JFET مع وصلة الباعث المشترك لترانزستورBJT، إذ يُطبَّق الدخل على البوابة ويُؤخذ الخرج من المصرف، وتعتبر هذه الوصلة الأكثر استخداماً بسبب ممانعة الدخل العالية والتّضخيم الجيّد للجهد، حيث تستخدم بشكل خاص في دارات مُكبّرات الصّوت والمُضخّمات ذات المُمانعة العالية عند الدخل، كما تكون إشارة الخرج مزاحة بمقدار  180درجة عن إشارة الدخل. يُبيّن الشكل  أدناه وصلة CS في ترانزستور JFET.

 وصلة المنبع المشترك CS لترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)
وصلة المنبع المشترك CS لترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)
  • وصلة البوّابة المشتركة Common Gate CG:

تتشابه هذه الوصلة لترانزستور JFET مع وصلة القاعدة المشتركة لترانزستور BJT، يطبَّق فيها الدخل على المنبع، في حين يؤخذ الخرج من المصرف وتكون البوابة موصولة بشكل مباشر إلى أرضي الدّارة. تمتاز هذه الوصلة بممانعة دخل منخفضة وممانعة خرج عالية. يكثر استخدامها في دارات تضخيم الإشارات عالية التردّد أو دارات المواءمة، حيث تحتاج هذه الدارات إلى مقاومة دخل منخفضة ومقاومة خرج عالية، وتكون إشارة الخرج فيها متوافقة بالطور مع إشارة الدخل.

 وصلة البوابة المشتركةCG  لترانزستور JFET.
وصلة البوابة المشتركة CG  لترانزستور JFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)
  • وصلة المصرف المشترك Common Drain CD:

تتشابه هذه الوصلة لترانزستور JFET مع وصلة المجمّع المشترك لترانزستور BJT، يطبَّق الدخل على البوابة ويؤخذ الخرج من المنبع. تمتاز هذه الوصلة بمقاومة دخل عالية ومقاومة خرج منخفضة، كما لا تعطي أي ربح للجهد، وتكون إشارة الخرج متوافقة بالطور مع إشارة الدخل. تعود تسمية هذه الوصلة إلى عدم وجود إشارة عند المصرف، أمّا الجهدVDD المطبَّق عليه فيؤمّن الانحياز المطلوب لعمل الترانزستور.

وصلة المصرف المشترك لترانزستورJFET.
وصلة المصرف المشترك لترانزستورJFET (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)

عمل ترانزستور JFET كمضخّم:

تشبه هذه الدارة في عملها دارة الباعث المشترك للـ BJT، وتتميّز بمقاومة دخل عالية، أي تيّار دخل منخفض، لذلك تستخدم في دارات مكبّرات الصّوت مثلاً، يُتحكَّم بممانعة الدخل العالية بواسطة مجزّئ الجهد المعبَّر عنه بتوصيلة المقاومات (R1,R2).

الانحياز في دارة مضخّم JFET:

 دارة مضخّم JFET ومجزّئ الجهد.
دارة مضخّم JFET ومجزّئ الجهد (حقوق الصورة: موقع electronics tutorials)

لا تعطي هذه الدارة قيمة عالية للرّبح، لكنَّها تتميّز بالخطيّة الجيّدة، وبالتالي قيم مستقرّة للربح، وبواسطة مجزّئ الجهد نختار قيمة المقاومةRS  بحيث تكون قيمة الجهد الهابط عليها مساوية تقريباً إلى ربع قيمة جهد المصرف VDD  من أجل الحصول على قيمة جيّدة للربح، عندئذ يمكننا حساب جهد البوابة من قيمة  RS نظراً لأنَّ تيّار البوابة معدوم (IG=0)، ونتحكّم بقيمة الجهد المطبَّق على البوابة من خلال تغيير قيم المقاومات  R1,R2))، ويُتوضَّح ذلك بالعلاقات الرياضيّة:

VS=ID*RS=VDD/4

VS=VG-VGS

VG=[R2/(R1+R2)]*VDD

ID=VS/RS=(VG-VGS)/RS

إنّ تطبيق جهد سالب على البوابة يجعل الترانزستور JFET عنصر جيّد ليعمل كمفتاح، بينما الجهد الموجب على البوابة عندما تكون القناة P_Channel JFET سيجعل تيّار القناة يتدفّق إلى البوابة وليس إلى المصرف ممّا يؤدّي إلى تلف الترانزستور.


المصدر: هنا

ترجمة: إسراء اسماعيل, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: سلام أحمد, تصميم: علي العلي, تحرير: علي العلي

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *