जेएफईटी

JFET

File:JFET cross section.svg Electric current from source to drain in a p-channel JFET is restricted when a voltage is applied to the gate.
प्रकार	Active
Pin configuration	drain, gate, source
Electronic symbol
File:IEEE 315-1975 (1993) 8.6.10.1.b.svg File:IEEE 315-1975 (1993) 8.6.11.1.b.svg

जंक्शन-गेट फील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर (JFET) फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर के सबसे सरल प्रकारों में से एक है। JFETs तीन-टर्मिनल अर्ध-परिचालक डिवाइस हैं जिनका उपयोग इलेक्ट्रानिक्स नियंत्रित बदलना या वोल्टेज-नियंत्रित अवरोधक के रूप में या एम्पलीफायर बनाने के लिए किया जा सकता है।

द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर के विपरीत, जेएफईटी विशेष रूप से वोल्टेज-नियंत्रित होते हैं, जिसमें उन्हें एक बयाझिंग विद्युत प्रवाह की आवश्यकता नहीं होती है। स्रोत और ड्रेन टर्मिनल (इलेक्ट्रॉनिक्स) के बीच एक अर्धचालक चैनल के माध्यम से विद्युत आवेश प्रवाहित होता है। एक गेट टर्मिनल पर रिवर्स बायस वोल्टेज लगाने से, चैनल चैनल लंबाई मॉडुलन होता है, जिससे विद्युत प्रवाह बाधित होता है या पूरी तरह से बंद हो जाता है। एक JFET आमतौर पर तब संचालित होता है जब इसके गेट और स्रोत टर्मिनलों के बीच शून्य वोल्टेज होता है। यदि इसके गेट और स्रोत टर्मिनलों के बीच उचित विद्युत ध्रुवता का संभावित अंतर लागू किया जाता है, तो JFET वर्तमान प्रवाह के लिए अधिक प्रतिरोधी होगा, जिसका अर्थ है कि स्रोत और नाली टर्मिनलों के बीच चैनल में कम धारा प्रवाहित होगी।

जेएफईटी को कभी-कभी कमी-मोड डिवाइस के रूप में जाना जाता है, क्योंकि वे एक कमी क्षेत्र के सिद्धांत पर भरोसा करते हैं, जो बहुसंख्यक चार्ज वाहक से रहित है। करंट को प्रवाहित करने के लिए रिक्तीकरण क्षेत्र को बंद करना पड़ता है।

जेएफईटी में एक एन-टाइप सेमीकंडक्टर|एन-टाइप या पी-प्रकार अर्धचालक|पी-टाइप चैनल हो सकता है। एन-टाइप में, यदि गेट पर लगाया गया वोल्टेज स्रोत के संबंध में ऋणात्मक है, तो करंट कम हो जाएगा (इसी तरह पी-टाइप में, यदि गेट पर लगाया गया वोल्टेज स्रोत के संबंध में सकारात्मक है)। क्योंकि एक सामान्य स्रोत या सामान्य नाली विन्यास में JFET में एक बड़ा इनपुट प्रतिबाधा है (कभी-कभी 10 के क्रम में¹⁰ ओम), गेट के इनपुट के रूप में उपयोग किए जाने वाले सर्किट से थोड़ा करंट खींचा जाता है।

इतिहास

1920 और 1930 के दशक में जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड द्वारा एफईटी जैसे उपकरणों का उत्तराधिकार पेटेंट कराया गया था। हालांकि, एफईटी के वास्तव में निर्मित होने से पहले सामग्री विज्ञान और निर्माण प्रौद्योगिकी को दशकों के अग्रिमों की आवश्यकता होगी।

JFET को पहली बार 1945 में हेनरिक वेलकर द्वारा पेटेंट कराया गया था। 1940 के दशक के दौरान, शोधकर्ता जॉन बार्डीन, वाल्टर हाउसर ब्रेटन, और विलियम शॉक्ले FET बनाने की कोशिश कर रहे थे, लेकिन अपने बार-बार के प्रयासों में असफल रहे। उन्होंने अपनी विफलताओं के कारणों का निदान करने की कोशिश के दौरान बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर की खोज की। 1952 में JFET पर शॉकले के सैद्धांतिक उपचार के बाद, 1953 में जॉर्ज सी. डैसी और इयान मुनरो रॉस | इयान एम. रॉस द्वारा एक कामकाजी व्यावहारिक JFET बनाया गया था।जापानी इंजीनियरों आदेश-स्थिति निशिजावा और वाई. वातानाबे ने 1950 में इसी तरह के उपकरण के लिए एक पेटेंट के लिए आवेदन किया जिसे स्थिर प्रेरण ट्रांजिस्टर (SIT) कहा गया। SIT एक छोटा चैनल वाला JFET का एक प्रकार है। JFETs के साथ हाई-स्पीड, हाई-वोल्टेज स्विचिंग 2008 में सिलिकॉन कार्बाइड # पावर इलेक्ट्रॉनिक डिवाइसेस (SiC) वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर | वाइड-बैंडगैप डिवाइसेस के व्यावसायिक परिचय के बाद तकनीकी रूप से व्यवहार्य हो गई। निर्माण में शुरुआती कठिनाइयों के कारण - विशेष रूप से, विसंगतियां और कम उपज - सीआईसी जेएफईटी पहले उच्च लागत के साथ एक आला उत्पाद बना रहा। 2018 तक, इन विनिर्माण मुद्दों को ज्यादातर हल कर लिया गया था। तब तक, SiC JFETs का उपयोग आमतौर पर पारंपरिक लो-वोल्टेज सिलिकॉन MOSFETs के संयोजन में किया जाता था। इस संयोजन में, SiC JFET + Si MOSFET उपकरणों में विस्तृत बैंड-गैप उपकरणों के साथ-साथ MOSFETs के आसान गेट ड्राइव के फायदे हैं।

संरचना

JFET सेमीकंडक्टर सामग्री, डोपिंग (सेमीकंडक्टर) का एक लंबा चैनल है जिसमें धनात्मक विद्युत आवेश वाहकों या इलेक्ट्रॉन छिद्र (p-प्रकार), या नकारात्मक वाहकों या इलेक्ट्रॉन छेदn-प्रकार) की बहुतायत होती है। प्रत्येक छोर पर ओमिक संपर्क स्रोत (एस) और नाली (डी) बनाते हैं। एक पीएन जंक्शन | पीएन-जंक्शन चैनल के एक या दोनों किनारों पर बनता है, या चैनल के विपरीत डोपिंग वाले क्षेत्र का उपयोग करके और ओमिक गेट संपर्क (जी) का उपयोग करके पक्षपाती होता है।

कार्य

File:JFET n-channel en.svg

एक एन-चैनल JFET की I-V विशेषताएं और आउटपुट प्लॉट

JFET ऑपरेशन की तुलना बगीचे की नली से की जा सकती है। क्रॉस सेक्शन (ज्यामिति) को कम करने के लिए एक नली के माध्यम से पानी के प्रवाह को निचोड़ कर नियंत्रित किया जा सकता है और जेएफईटी के माध्यम से विद्युत आवेश के प्रवाह को वर्तमान-वाही चैनल को संकुचित करके नियंत्रित किया जाता है। वर्तमान भी स्रोत और नाली के बीच विद्युत क्षेत्र पर निर्भर करता है (नली के दोनों छोर पर द्रव दबाव में अंतर के अनुरूप)। यह वर्तमान निर्भरता एक निश्चित लागू वोल्टेज के ऊपर आरेख में दिखाई गई विशेषताओं द्वारा समर्थित नहीं है। यह संतृप्ति क्षेत्र है, और जेएफईटी सामान्य रूप से इस निरंतर-वर्तमान क्षेत्र में संचालित होता है जहां डिवाइस वर्तमान वास्तव में नाली-स्रोत वोल्टेज से अप्रभावित होता है। JFET इस निरंतर-वर्तमान विशेषता को जंक्शन ट्रांजिस्टर और थर्मिओनिक ट्यूब (वाल्व) टेट्रोड और पेंटोड के साथ साझा करता है।

क्षेत्र प्रभाव (सेमीकंडक्टर) का उपयोग करके संवाहक चैनल का संकुचन पूरा किया जाता है: गेट और स्रोत के बीच एक वोल्टेज गेट-स्रोत पीएन-जंक्शन को रिवर्स बायस करने के लिए लागू किया जाता है, जिससे इस जंक्शन की कमी परत को चौड़ा किया जाता है (ऊपर चित्र देखें), कंडक्टिंग चैनल पर अतिक्रमण करना और इसके क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को प्रतिबंधित करना। कमी परत तथाकथित है क्योंकि यह मोबाइल वाहकों की कमी है और इसलिए व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए विद्युत रूप से गैर-संचालन है। जब अवक्षय परत प्रवाहकत्त्व चैनल की चौड़ाई तक फैली होती है, तो पिंच-ऑफ हासिल हो जाती है और नाली-से-स्रोत चालन बंद हो जाता है। पिंच-ऑफ एक विशेष रिवर्स बायस पर होता है (वी_GS) गेट-स्रोत जंक्शन का। पिंच-ऑफ वोल्टेज (वी_p) (दहलीज वोल्टेज के रूप में भी जाना जाता है या कट-ऑफ वोल्टेज) समान प्रकार के उपकरणों के बीच भी काफी भिन्न होता है। उदाहरण के लिए, वी_GS(off) Temic J202 डिवाइस से भिन्न होता है −0.8 V को −4 V. विशिष्ट मान से भिन्न होते हैं −0.3 V को −10 V. (भ्रामक रूप से, पिंच-ऑफ वोल्टेज शब्द का उपयोग V को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है_DS मूल्य जो रैखिक और संतृप्ति क्षेत्रों को अलग करता है। एक एन-चैनल डिवाइस को बंद करने के लिए एक नकारात्मक गेट-सोर्स वोल्टेज (वी की आवश्यकता होती है_GS). इसके विपरीत, एक पी-चैनल डिवाइस को बंद करने के लिए सकारात्मक वी की आवश्यकता होती है_GS.

सामान्य ऑपरेशन में, गेट द्वारा विकसित विद्युत क्षेत्र कुछ हद तक स्रोत-नाली प्रवाहकत्त्व को अवरुद्ध करता है।

कुछ JFET डिवाइस स्रोत और नाली के संबंध में सममित हैं।

योजनाबद्ध प्रतीक

File:JFET N-dep symbol.svg

एन-चैनल जेएफईटी के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रतीक

File:JFET P-dep symbol.svg

पी-चैनल JFET के लिए सर्किट प्रतीक

JFET गेट को कभी-कभी चैनल के बीच में खींचा जाता है (इन उदाहरणों में नाली या स्रोत इलेक्ट्रोड के बजाय)। यह समरूपता बताती है कि नाली और स्रोत विनिमेय हैं, इसलिए प्रतीक का उपयोग केवल उन जेएफईटी के लिए किया जाना चाहिए जहां वे वास्तव में विनिमेय हैं।

प्रतीक एक सर्कल के अंदर खींचा जा सकता है (एक असतत डिवाइस के लिफाफे का प्रतिनिधित्व करता है) यदि संलग्नक सर्किट फ़ंक्शन के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि एक ही पैकेज में दोहरे मिलान वाले घटक। हर मामले में तीर का सिरा चैनल और गेट के बीच बने पी-एन जंक्शन की ध्रुवीयता को दर्शाता है। एक साधारण डायोड की तरह, तीर P से N की ओर इंगित करता है, आगे-पक्षपाती होने पर विद्युत धारा#पारंपरिक धारा की दिशा। एक अंग्रेजी स्मरक यह है कि एन-चैनल डिवाइस का तीर इंगित करता है।

अन्य ट्रांजिस्टर के साथ तुलना

कमरे के तापमान पर, JFET गेट करंट (गेट-टू-चैनल पी-एन जंक्शन का रिवर्स लीकेज) MOSFET (जिसमें गेट और चैनल के बीच इंसुलेटिंग ऑक्साइड होता है) के बराबर होता है, लेकिन बाइपोलर जंक्शन के बेस करंट से बहुत कम ट्रांजिस्टर। JFET में MOSFET की तुलना में उच्च लाभ (transconductance) है, साथ ही कम झिलमिलाहट शोर है, और इसलिए इसका उपयोग कुछ कम-शोर (भौतिकी), उच्च इनपुट-प्रतिबाधा ऑपरेशनल एंप्लीफायर | ऑप-एम्प्स में किया जाता है। इसके अतिरिक्त JFET में स्थैतिक आवेश निर्माण से क्षति होने की संभावना कम होती है।

गणितीय मॉडल

रैखिक ओमिक क्षेत्र

एक छोटे वोल्टेज V के कारण N-JFET में करंट_DS (यानी, रैखिक या ओमिक में या ट्रायोड क्षेत्र विद्युत चालकता की सामग्री के आयताकार बार के रूप में चैनल का इलाज करके दिया जाता है $qN_{d}\mu _{n}$: :$I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}},$ कहाँ

मैं_D = नाली-स्रोत वर्तमान,

b = दिए गए गेट वोल्टेज के लिए चैनल की मोटाई,

डब्ल्यू = चैनल चौड़ाई,

एल = चैनल की लंबाई,

क्यू = इलेक्ट्रॉन चार्ज = 1.6×10⁻¹⁹ सी

एम_n= इलेक्ट्रॉन गतिशीलता,

एन_d= एन-टाइप डोपिंग (दाता) एकाग्रता,

वी_P = पिंच-ऑफ वोल्टेज।

फिर रैखिक क्षेत्र में नाली की धारा को अनुमानित किया जा सकता है

$I_{\text{D}}={\frac {bW}{L}}qN_{d}\mu _{n}V_{\text{DS}}={\frac {aW}{L}}qN_{d}\mu _{n}\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right)V_{\text{DS}}.$

के अनुसार $I_{\text{DSS}}$, नाली वर्तमान के रूप में व्यक्त किया जा सकता है

$I_{\text{D}}={\frac {2I_{\text{DSS}}}{V_{\text{P}}^{2}}}\left(V_{\text{GS}}-V_{\text{P}}-{\frac {V_{\text{DS}}}{2}}\right)V_{\text{DS}}.$

निरंतर-वर्तमान क्षेत्र

संतृप्ति या सक्रिय में नाली वर्तमानया चुटकी बंद क्षेत्र गेट बायस के संदर्भ में अक्सर अनुमान लगाया जाता है

$I_{\text{DS}}=I_{\text{DSS}}\left(1-{\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}\right)^{2},$

जहां मैं_DSS शून्य गेट-स्रोत वोल्टेज पर संतृप्ति वर्तमान है, यानी अधिकतम वर्तमान जो FET के माध्यम से नाली से स्रोत तक किसी भी (अनुमेय) नाली-से-स्रोत वोल्टेज पर प्रवाहित हो सकता है (देखें, उदाहरण के लिए, ऊपर I-V विशेषता आरेख)।

संतृप्ति क्षेत्र में, JFET ड्रेन करंट गेट-सोर्स वोल्टेज से सबसे अधिक प्रभावित होता है और ड्रेन-सोर्स वोल्टेज से बमुश्किल प्रभावित होता है।

यदि चैनल डोपिंग एक समान है, जैसे कि कमी क्षेत्र की मोटाई गेट-स्रोत वोल्टेज के निरपेक्ष मान के वर्गमूल के अनुपात में बढ़ेगी, तो चैनल मोटाई b को शून्य-पूर्वाग्रह चैनल मोटाई a के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है। जैसा

$b=a\left(1-{\sqrt {\frac {V_{\text{GS}}}{V_{\text{P}}}}}\right),$

कहाँ

वी_P पिंच-ऑफ वोल्टेज है – गेट-सोर्स वोल्टेज जिस पर चैनल की मोटाई शून्य हो जाती है,

शून्य गेट-स्रोत वोल्टेज पर चैनल की मोटाई है।

पारगमन

जंक्शन FET के लिए ट्रांसकंडक्शन द्वारा दिया गया है

$g_{\text{m}}=\frac{2I_{\text{DSS}}}{|V_{\text{P}}|}($