Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4 Hoofdstuk 2 Paragraaf 2.18 Blz 177 t/m 190

In Andere artikelen is de klassieke transistor reeds behandeld. Daarom is het nu tijd om uit te leggen wat een Unipolaire Transistor is. Deze wordt ook wel de JFET genoemd. In dit artikel lees je werking van deze transistor met daarbij duidelijke afbeeldingen die het verhaal ondersteunen.

De Unipolaire Transistor

De klassieke transistor, die in andere artikelen uitgebreid behandeld is (Lees hier), is een bipolaire transistor met twee PN-overgangen en met twee soorten ladingsdragers:

  • Meerderheidsdragers;
  • Minderheidsdragers.

De veldeffecttransistor is een transistor met een N- of een P-kanaal, waarvan de kanaalweerstand bepaald wordt door het elektrisch veld in de ingangsketen. Men noemt de veldeffecttransistor een unipolaire transistor, omdat de stroom die er door vloeit uitsluitend uit één type ladingsdragers bestaat, namelijk meerderheidsdragers.

Voor een veldeffecttransistor met een N-kanaal zijn dat de elektronen, voor een P-kanaal zijn dat de gaten. Bovendien heeft de veldeffecttransistor slechts één PN-overgang. De veldeffecttransistor bezitten een groot aantal voordelen ten opzichte van de klassiek bipolaire transistor:

  • Zij bezitten een veel hogere ingangsweerstand: 1010 Ω tot 1015 Ω zodat zij de stuurschakeling niet belasten;
  • Zij hebben een veel lager ruisniveau, waardoor zij bijzonder geschikt zijn als ingangsversterkers van kleine signalen;
  • Zij vertonen een betere thermische stabiliteit.
Afbeelding met verschillende soorten transistors, van bipolaire tot unipolaire transistors

De veldeffecttransistor kunnen verdeeld worden in 2 groepen:

  • JFET (Junction Field Effect Transistor); bij deze halfgeleiders is de stuurelektrode van het N- of P-kanaal geïsoleerd door een gesperde PN-junction;
  • De MOSFETS (Metal Oxide Screen FET) bezitten tussen de stuurelektrode en het N- of P-kanaal een dun oxidelaagje en dus niet een gesperde PN-junction.

In beide gevallen gebeurt de sturing van de uitgangsstroom door middel van een elektrisch veld; de singaalbron moet dus wel een spanning maar geen stroom leveren. Voor het begrijpen van de werking is kennis van een PN overgang in sper van belang. Bij een PN overgang in sperrichting aangesloten:

  • Zal de sperlaag zich uitbreiden indien de sperspanning toeneemt;
  • Zal de sperlaag zich het sterkst uitbreiden in het lichtst verontreinigde deel.

Unipolaire : Junction Field Effect Transistor (JFET)

Twee uitvoeringen: N-kanaal of P-kanaal.

Symbolen en N-kanaal en een P-kanaal Unipolaire JFET

In het meetschema is weergegeven hoe een JFET gemeten kan worden.

Meetschema van een JFET
Unipolaire JFET de ingangskarakteristiek

Overdrachtskarakteristiek van een Unipolaire JFET

Zoals bij de bipolaire transistor gelden er voor de JFET ook karakteristieken. Voor het instellen van de JFET is gebruik te maken van een grafiek, zoals in bovenstaande afbeelding. Het verschil tussen een bipolaire transistor en een unipolaire JFET is in de afbeelding duidelijk te zien.

Bij de bipolaire transistor wordt gebruik gemaakt van de verhouding tussen Ib en Ic wat aangeduid wordt met Hfe. Bij unipolaire transistor is het de verhouding tussen Ugs en ID. Oftewel de verhouding tussen het spanningsverschil gate (g) en source (s) en de drainstroom (d). Veranderingen van de Ugs heeft als gevolg een verandering van de Id. Vandaar dat men bij de JFET spreekt van spanningsturing.

Uitgangskarakteristiek van een N-kanaal unipolaire JFET

Principe:

  • Kanaalbreedte wordt bepaald door de sperspanning tussen de gate en het kanaal;
  • Stroom door het kanaal is te regelen door spanning tussen gate en kanaal.

Opbouw Junctionfet N-kanaal:

  • P-materiaal is sterk verontreinigd;
  • N-materiaal is licht verontreinigd.

Voor het begrijpen van de werking van de FET zijn de volgende punten van belang:

  • Uitbreiding sperlaag het sterkst in N-materiaal;
  • Breedte sperlaag wordt bepaald door Ugb.
Versmalling van de kanaalbreedte

Werking bij kleine waarden van Uds

Ugb= Ugs + Usb (b in het midden van het kanaal, zie bovenstaande afbeelding). Uds is klein. Ubs is daar een verwaarloosbaar deel van. Hieruit volgt dat Ugb=Ugs. De breedte van het geleidend N-materiaal, en daarmee de weerstand tussen drain en source, wordt nu alleen door Ugs bepaald. Hoe negatiever Ugs, des te groter de kanaalweerstand.

Als de kanaalbreedte nul is geworden, dan is de weerstand maximaal (bijvoorbeeld 10MΩ). Men zegt de FET is afgeknepen. Die Ugs noemt men de afknijpspanning U pinch-off ook wel de Ugs (off) of gate-source cut-off voltage.

Kleine waarde van een Unipolaire Uds waarde van de JFET

Toenemen van de kanaalweerstand unipolaire JFET bij grotere Uds

Ubs=-Usb is nu niet te verwaarlozen. De sperspanning is Ugb = Ugs+Usb. (Ubs = spanning over ”kanaalweerstandjes”). Sperspanning aan bovenkant het grootst. Sperlaag breidt zich aan bovenkant het sterkst uit. Er ontstaat een trechtereffect. Toename van de stroom zal kanaal verder dichtdrukken.

Toename van de stroom door vergtoten Uds wordt hierdoor tegengewerkt. Uitgaande van Ugs=0 zal bij Uds=Ugs (off) de stroom nauwelijks verder toenemen de JFET is vrijwel afgeknepen. De Uds waarbij dit gebeurt noemt men Vdsp en is bij Ugs=0V gelijk aan Up.

Pinch-off spanning

JFET als wisselspanningsversterker in GSS

Klik op de onderstaande afbeelding voor de uitleg van de GSS en andere fundamentele schakelingen van een transistor

Instelling van de Unipolaire FET

Volgens de afleidingsformule van de transferkarakteristiekinstelling in het midden van het rechte deel van de karakteristiek, indien Ugs=0,29 Ugs (off) in de praktijk op ongeveer 1/3 Ugs (off). Instelling van de FET door:

  • 2de spanningsbron;
  • Automatisch negatief (door middel van source weerstand);
  • Gate ligt aan massa door Rg;
  • Us= Id keer Rs;
  • Ugs=Ug-Us=-Id keer Rs.
Instelling door middel van zogenaamd automatisch negatief

De Spanningsdeler: in onderstaande afbeelding is dit aangegeven door R1,R2 en Rg.

Unipolaire spanningsdeler

De rekenregel voor unipolaire transistors

Net zoals bij de bipolaire transistors zijn er voor unipolaire transistors een aantal rekenregels afgesproken. Ook voor deze rekenregels geldt dat zij opgesteld zijn bij een klasse A-instelling van de transistor. Klasse A was het instellen van het werkpunt op de helft van de voedingsspanning Uv.

Basisschakeling 1 voor een JFET

Basisschakeling 1 van unipolaire JFET

Basisschakeling 2 voor een unipolaire JFET

Basisschakeling 2 voor een  unipolaire JFET

Het Singaalvervangingsschema van basisschakling 2

Ook hier zijn er veel overeenkomsten met de bipolaire transistor. Daarbij mag je ervan uitgaan dat de inwendige weerstanden veel hoger zijn dan bij de bipolaire transistor.

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4 Hoofdstuk 2 Paragraaf 2.18 Blz 177 t/m 190

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.