JFET

Sähkövirta (elektronit) source-elektrodilta drain-elektrodille n-kanava-JFET:issä vähenee, kun gate-elektrodille tuodaan negatiivista jännitettä suhteessa kanavan source-elektrodiin (V_GS.)

Liitoskanavatransistori eli JFET tai JUGFET (engl. junction-gate field-effect transistor) on yksinkertaisin kanavatransistori, joka perustuu yhteen tai useampaan liitokseen p- ja n-tyypin puolijohteiden välillä.

Käyttö

Kuten muitakin transistoreita, JFET:iä voi käyttää elektronisesti ohjattuna kytkimenä. Lisäksi sitä voi käyttää jänniteohjattuna vastuksena.

Rakenne

Piirrosmerkki N-kanavaiselle JFET:lle

Piirrosmerkki P-kanavaiselle JFET:lle

JFET:issä on kolme erityyppistä liitäntää: lähde (S, engl. source), nielu (D, engl. drain) ja hila (G, engl. gate). JFET muodostuu kahden puolijohderajapinnan välissä olevasta kanavasta, joka yhdistää lähteen ja nielun. Hila sen sijaan ei ole kosketuksissa suoraan kanavaan, vaan rajapinnan vastakkaisella puolella oleviin alueisiin.

Sekä kanava että sitä ympäröivien rajapintojen toisella puolella sijaitsevat kaksi muuta aluetta on seostettu siten, että kanava on sähköisesti vastakkaisen tyyppinen kuin kaksi muuta aluetta. JFET:it jaotellaan kahteen eri tyyppiin kanavan seostuksen mukaan: n-tyyppiin, jossa kanavan seostus on negatiivinen, ja p-tyyppiin, jossa kanavan seostus on positiivinen.

Periaatteessa lähde ja nielu ovat keskenään vaihdettavissa, jos se sopii paremmin kytkennän fyysiseen rakentamiseen, kunhan kytkentä myös muuttuu vastaamaan näiden elektrodien uusia merkityksiä.

Toiminta

Ilman hilajännitettä virta kulkee helposti pitkin kanavaa, kun tuodaan jännite-ero $V_{DS}$ lähteen ja nielun välille. Jännitteen $V_{DS}$ napaisuus on sellainen, että se laittaa hilan ja kanavan välisen p–n-liitoksen estosuuntaan ja näin leventää liitoksen tyhjennysaluetta (engl. depletion zone). JFET:iin syntyvä tyhjennysalue on sellainen alue, jossa ei ole liikkuvia varauksenkuljettajia ja se syntyy kanavan reunamille puolijohderajapinnalle.

Hilajännitettä $V_{G}$ kasvatettaessa tyhjennysalue levenee ja kanava kutistuu siinä kulkevan virran vähetessä. Tyhjennysalue ei ole symmetrinen, vaan se on leveämpi kanavan päässä, joka on lähempänä nielua, koska hilan ja kanavan välinen estojännite on siellä korkein. Tällä tavalla hila ohjaa kanavan johtavuutta, aivan kuten MOSFET:issäkin. Toisin kuin MOSFET:it, JFET:it toimivat aina estovyöhyketilassa, eli ne ovat aina johtavia, jos hilalla ei ole jännitettä.

Piirrossymbolista

Riippuen kulttuurista, piirrosmerkit ovat joko kuten kuvissa oikealla, tai samanlaiset ilman ympyrää, tai niin että hila on keskellä kanavaa eikä lähteen tai nielun kohdalla (ympyrällä tai ilman).

Symmetristä versiota käytetään erityisesti kun kanava todellakin on symmetrinen, niin että lähde- ja nieluliitännät ovat keskenään vaihtokelpoisia.

Hilan nuolen kärjen suunta kertoo, miten päin liitoksen p–n-rajapinta on suhteessa kanavaan. Sulkeakseen kanavan, tarvitaan noin kahden voltin takaperoinen (V_GS) jännite suhteessa lähteeseen.

N-tyypin kanavalla vihje on siis, että hilan jännitteen pitää olla negatiivinen suhteessa lähteeseen. P-tyypin kanavalla haetaan positiivista V_GS:ää.

Vertailua muiden transistorien suhteen

JFET:in hila esiintyy pienenä virtakuormana joka johtuu hila-kanava-liitoksen estosuuntaisesta vuotovirrasta. MOSFET:illa on etunaan erittäin pieni hilavirta (suuruudeltaan pikoampeereita) koska siinä on eristävä oksidikerros hilan ja kanavan välissä. Toisaalta verrattaessa JFET:in hilavirtaa bipolaaritransistorin kantavirtaan, JFET:illä hilavirta on paljon pienempi ja sillä on myös suurempi transkonduktanssi kuin MOSFET:illä. Siksi JFET:illä on saavutettu erinomaisia tuloksia vähäkohinaisissa vahvistimissa, korkeaimpendanssisissa operaatiovahvistimissa ja joskus myös yksinkertaisissa kytkinsovelluksissa.

JFET:in olemuksen ennusti Julius Lilienfeld jo niinkin aikaisin kuin 1925 ja sen toiminnan teoria tunnettiin kyllin hyvin jo 1930 luvun puolivälissä että sille voitiin myöntää patentti. Aikakauden teknologia ei ollut kuitenkaan kyllin hyvä että olisi kyetty tuottamaan seostettuja puolijohteita kyllin suurella tarkkuudella vielä moniin vuosiin. Vuonna 1947 Bell-laboratorion tutkijat John Bardeen, Walter Houser Brattain ja William Shockley yrittivät rakentaa JFET:iä, kun he rakensivatkin bipolaaritransistorin.

Ensimmäiset toimivat JFET:it tehtiin useita vuosia myöhemmin vaikka ne olikin keksitty ensiksi.

Matematiikka

Virta n-JFET:issä johtuu pienestä jännite-erosta lähteen ja nielun välillä: V_DS ja se määräytyy kaavalla:

$I_{DS}=(2a)WQD_{D}\mu {\frac {V_{DS}}{L}}$

missä:

• 2a = kanavan paksuus
• W = kanavan leveys
• L = kanavan pituus
• Q = elektronin varaus = 1.6 x 10^-19 C
• μ = elektronin liikkuvuus

Kyllästyneellä toiminta-alueella:

$I_{DS}=I_{DSS}\left[1-{\frac {V_{GS}}{V_{P}}}\right]^{2}$

Lineaarisella toiminta-alueella:

$I_{D}={\frac {(2a)WQ{N_{D}}{{\mu }_{D}}}{L}}\left[1-{\sqrt {\frac {V_{GS}}{V_{P}}}}\right]V_{DS}$

Kirjallisuutta

• Salste, Mikko; Porra, Veikko: Elektroniikka: sovelletun elektroniikan ja digitaalitekniikan perusteet. Otaniemi: Otakustantamo, 1973. ISBN 951-671-053-0
• Silvonen, Kimmo: Sähkötekniikka ja elektroniikka. Helsinki: Otatieto, 2003. ISBN 951-672-335-7
• Silvonen, Kimmo; Tiilikainen, Matti; Helenius Kari: Analogiaelektroniikka. Helsinki: Edita, 2004 (2002). ISBN 951-37-3839-6

Aiheesta muualla

• Physics 111 Laboratory -- JFET Circuits I (Arkistoitu – Internet Archive) (PDF)