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

संधि-द्वार क्षेत्र प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (जेएफईटी) क्षेत्र प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र के सबसे सरल प्रकारों में से एक है। जेएफईटी त्रि अंतक अर्ध-परिचालक उपकरण हैं जिनका उपयोग इलेक्ट्रानिक्स नियंत्रित स्विच या वोल्टेज-नियंत्रित अवरोधक के रूप में या प्रवर्धक बनाने के लिए किया जा सकता है।

द्विध्रुवी संधि प्रतिरोधान्तरित्र के विपरीत, जेएफईटी विशेष रूप से वोल्टेज-नियंत्रित होते हैं, जिसमें उन्हें अभिनतीकरण विद्युत प्रवाह की आवश्यकता नहीं होती है। स्रोत और अपवाहिका अवसानक (इलेक्ट्रॉनिक्स) के बीच एक अर्धचालक प्रणाल के माध्यम से विद्युत आवेश प्रवाहित होता है। एक द्वार अवसानक पर पश्चदिशिक पूर्वाग्रह वोल्टेज लगाने से, प्रणाल लंबाई मॉडुलन होता है, जिससे विद्युत प्रवाह बाधित होता है या पूरी तरह से बंद हो जाता है। जेएफईटी सामान्यतः तब संचालित होता है जब इसके द्वार और स्रोत अवसानकों के बीच शून्य वोल्टेज होता है। यदि इसके द्वार और स्रोत अवसानकों के बीच उचित विद्युत ध्रुवता का संभावित अंतर लागू किया जाता है, तो जेएफईटी वर्तमान प्रवाह के लिए अधिक प्रतिरोधी होगा, जिसका अर्थ है कि स्रोत और नलिका अवसानकों के बीच प्रणाल में कम धारा प्रवाहित होगी।

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

जेएफईटी में एक n-प्रकार या p-प्रकार अर्धचालक प्रणाल हो सकता है। n-टाइप में, यदि द्वार पर लगाया गया वोल्टेज स्रोत के संबंध में ऋणात्मक है, तो विद्युत प्रवाह कम हो जाएगा (इसी तरह p-टाइप में, यदि द्वार पर लगाया गया वोल्टेज स्रोत के संबंध में सकारात्मक है)। क्योंकि एक सामान्य स्रोत या सामान्य नलिका विन्यास में जेएफईटी में एक बड़ा निविष्ट प्रतिबाधा है (कभी-कभी 10¹⁰ ओम के क्रम में), द्वार के निविष्ट के रूप में उपयोग किए जाने वाले विद्युत परिपथ से थोड़ा विद्युत प्रवाह खींचा जाता है।

इतिहास

1920 और 1930 के दशक में जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड द्वारा एफईटी जैसे उपकरणों का उत्तराधिकार एकस्व अधिकार (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।

जेएफईटी को पहली बार 1945 में हेनरिक वेलकर द्वारा एकस्व अधिकार कराया गया था। 1940 के दशक के दौरान, शोधकर्ता जॉन बार्डीन, वाल्टर हाउसर ब्रेटन, और विलियम शॉक्ले FET बनाने का प्रयास कर रहे थे, लेकिन अपने बार-बार के प्रयासों में असफल रहे। उन्होंने अपनी विफलताओं के कारणों का निदान करने के प्रयास के दौरान बिंदु-संपर्क प्रतिरोधान्तरित्र की खोज की। 1952 में जेएफईटी पर शॉकले के सैद्धांतिक उपचार के बाद, 1953 में जॉर्ज सी. डैसी और इयान मुनरो रॉस द्वारा एक कामकाजी व्यावहारिक जेएफईटी बनाया गया था।जापानी इंजीनियरों जून-इचि निशिजावा और वाई. वातानाबे ने 1950 में इसी तरह के उपकरण के लिए एक एकस्व अधिकार के लिए आवेदन किया जिसे स्थिर प्रेरण प्रतिरोधान्तरित्र (SIT) कहा गया। SIT एक छोटा प्रणाल वाला जेएफईटी का एक प्रकार है।

जेएफईटी के साथ द्रुतगति, उच्‍च-वोल्टता स्विचिंग 2008 में सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) विस्तृत-ऊर्जा अंतराल के व्यावसायिक परिचय के बाद तकनीकी रूप से व्यवहार्य हो गई। निर्माण में प्रारम्भिक कठिनाइयों के कारण - विशेष रूप से, विसंगतियां और कम उपज - सीआईसी जेएफईटी पहले उच्च लागत के साथ एक निकेत उत्पाद बना रहा। 2018 तक, इन विनिर्माण स्तिथियों को ज्यादातर हल कर लिया गया था। तब तक, SiC जेएफईटी का उपयोग सामान्यतः पारंपरिक निम्‍न-वोल्टता सिलिकॉन मॉस्फेट के संयोजन में किया जाता था। इस संयोजन में, SiC जेएफईटी + Si मॉस्फेट उपकरणों में विस्तृत बैंड-अंतराल उपकरणों के साथ-साथ मॉस्फेट के आसान द्वार उत्तजन के लाभ हैं।

संरचना

जेएफईटी अर्धचालक सामग्री, अपमिश्रित (अर्धचालक) का एक लंबा प्रणाल है जिसमें धनात्मक विद्युत आवेश वाहकों या इलेक्ट्रॉन छिद्र (p-प्रकार), या नकारात्मक वाहकों या इलेक्ट्रॉन छिद्र n-प्रकार) की बहुतायत होती है। प्रत्येक छोर पर औमीय संपर्क स्रोत (एस) और नलिका (डी) बनाते हैं। एक पीएन-संधि प्रणाल के एक या दोनों किनारों पर बनता है, या प्रणाल के विपरीत अपमिश्रण वाले क्षेत्र का उपयोग करके और ओमिक द्वार संपर्क (जी) का उपयोग करके पक्षपाती होता है।

कार्य

File:JFET n-channel en.svg

एक n-प्रणाल जेएफईटी की I-V विशेषताएं और निष्पाद क्षेत्रक

जेएफईटी संचालन की तुलना बगीचे की नली से की जा सकती है। अनुप्रस्थ परिच्छेद (ज्यामिति) को कम करने के लिए एक नली के माध्यम से पानी के प्रवाह को निष्पीड़न कर नियंत्रित किया जा सकता है और जेएफईटी के माध्यम से विद्युत आवेश के प्रवाह को वर्तमान-वाही प्रणाल को संकुचित करके नियंत्रित किया जाता है। वर्तमान भी स्रोत और नलिका 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 उपकरण वर्तमान वास्तव में नलिका-स्रोत वोल्टेज से अप्रभावित होता है। जेएफईटी इस निरंतर-वर्तमान विशेषता को संधि प्रतिरोधान्तरित्र और तापायनिक नली (वाल्व) टेट्रोड और पेंटोड के साथ साझा करता है।

क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक) का उपयोग करके संवाहक प्रणाल का संकुचन पूरा किया जाता है: द्वार और स्रोत के बीच एक वोल्टेज द्वार-स्रोत पीएन-संधि को पश्चदिशिक पूर्वाग्रह करने के लिए लागू किया जाता है, जिससे इस संधि की अवक्षयी परत को चौड़ा किया जाता है (ऊपर चित्र देखें), निर्देशन प्रणाल पर अतिक्रमण किया जाता है और इसके अनुप्रस्थ काट क्षेत्र को प्रतिबंधित किया जाता है। अवक्षयी परत तथाकथित है क्योंकि यह गतिशील वाहकों की कमी है और इसलिए व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए विद्युत रूप से गैर-संचालन है।

जब अवक्षय परत प्रवाहकत्त्व प्रणाल की चौड़ाई तक फैली होती है, तो संकुचन प्राप्त हो जाती है और नलिका-से-स्रोत चालन बंद हो जाता है। संकुचन एक विशेष पश्चदिशिक पूर्वाग्रह (V_GS) और द्वार-स्रोत संधि पर होता है। संकुचन वोल्टेज (वी_p) (दहलीज वोल्टेज या विच्छेदन वोल्टेज के रूप में भी जाना जाता है) समान प्रकार के उपकरणों के बीच भी काफी भिन्न होता है। उदाहरण के लिए, V_GS(off) टेमिक J202 उपकरण से भिन्न होता है। −0.3 V को −10 V विशिष्ट मान से भिन्न होते हैं (भ्रामक रूप से, संकुचन 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-प्रणाल उपकरण को बंद करने के लिए एक नकारात्मक द्वार-सोर्स वोल्टेज (V _GS) की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, एक पी-प्रणाल उपकरण को बंद करने के लिए सकारात्मक V_GS की आवश्यकता होती है।

सामान्य संचालन में, द्वार द्वारा विकसित विद्युत क्षेत्र कुछ हद तक स्रोत-नलिका प्रवाहकत्त्व को अवरुद्ध करता है।

कुछ जेएफईटी उपकरण स्रोत और नलिका के संबंध में सममित हैं।

योजनाबद्ध प्रतीक

File:JFET N-dep symbol.svg

n-प्रणाल जेएफईटी के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रतीक

File:JFET P-dep symbol.svg

p-प्रणाल जेएफईटी के लिए परिपथ प्रतीक

जेएफईटी द्वार को कभी-कभी प्रणाल के बीच में खींचा जाता है (इन उदाहरणों में नलिका या स्रोत विद्युतद्वार के स्थान पर)। यह समरूपता बताती है कि नलिका और स्रोत विनिमेय हैं, इसलिए प्रतीक का उपयोग केवल उन जेएफईटी के लिए किया जाना चाहिए जहां वे वास्तव में विनिमेय हैं।

प्रतीक एक वृत्त के अंदर खींचा जा सकता है (एक असतत उपकरण के लिफाफे का प्रतिनिधित्व करता है) यदि संलग्नक परिपथ फलन के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि एक ही संवेष्टक में दोहरे मिलान वाले घटक महत्वपूर्ण है।हर स्तिथि में तीर का सिरा प्रणाल और द्वार के बीच बने पी-एन संधि की ध्रुवीयता को दर्शाता है। एक साधारण डायोड की तरह, तीर P से N की ओर इंगित करता है, जो अग्र अभिनत होने पर विद्युत धारा की दिशा है। एक अंग्रेजी स्मरक यह है कि एन-प्रणाल उपकरण का तीर इंगित करता है।

अन्य प्रतिरोधान्तरित्र के साथ तुलना

कमरे के तापमान पर, जेएफईटी द्वार विद्युत प्रवाह (द्वार-से-वाहिका पी-एन संधि का विपरीत रिसाव) MOSFET (जिसमें द्वार और प्रणाल के बीच रोधक ऑक्साइड होता है) के बराबर होता है, लेकिन बाइपोलर संधि के आधार विद्युत प्रवाह से बहुत कम प्रतिरोधान्तरित्र। जेएफईटी में MOSFET की तुलना में उच्च लाभ (अंतराचालकता) है, साथ ही कम स्फुरण रव है, और इसलिए इसका उपयोग कुछ कम-शोर (भौतिकी), उच्च निविष्ट-प्रतिबाधा संक्रियात्मक में किया जाता है। इसके अतिरिक्त जेएफईटी में स्थैतिक आवेश निर्माण से क्षति होने की संभावना कम होती है।

गणितीय प्रतिरूप

रैखिक ओमिक क्षेत्र

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

जहाँ

_ID = नलिका-स्रोत वर्तमान,

b = दिए गए द्वार वोल्टेज के लिए प्रणाल की मोटाई,

W = प्रणाल चौड़ाई,

L = प्रणाल की लंबाई,

Q = इलेक्ट्रॉन आवेश = 1.6×10⁻¹⁹ सी

μ_n= इलेक्ट्रॉन गतिशीलता,

N_d= n-प्रकार अपमिश्रण (दाता) एकाग्रता,

V_P = संकुचन वोल्टेज।

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

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

$I_{\text{DSS}}$ के अनुसार, नलिका को निम्न 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 नलिका वर्तमानया चुटकी बंद क्षेत्र द्वार पूर्वाग्रह के संदर्भ में प्रायः अनुमान लगाया जाता है

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

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

संतृप्ति क्षेत्र में, जेएफईटी अपवाहिका विद्युत प्रवाह द्वार-स्रोत वोल्टेज से सबसे अधिक प्रभावित होता है और अपवाहिका-स्रोत वोल्टेज से बमुश्किल प्रभावित होता है।

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

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

जहाँ

V_P संकुचन वोल्टेज है – द्वार-स्रोत वोल्टेज जिस पर प्रणाल की मोटाई शून्य हो जाती है,

शून्य द्वार-स्रोत वोल्टेज पर प्रणाल की मोटाई है।

पारगमन

संधि FET के लिए अंतराचालकता द्वारा दिया गया है

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

जहाँ $V_{\text{P}}$ पिंचऑफ़ वोल्टेज है, और I_DSS अधिकतम अपवाह धारा है। इसे $g_{\text{fs}}$ या