Arbeiten mit JFETs

Details zum Umgang mit Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) im Einsatz

JFETs bestehen aus dotierten kristallinen Siliziumschichten vom N- und P-Typ. Die zugrunde liegenden Prinzipien mit Ladungsträgern – Elektronen und Löchern – ähneln denen von Dioden und Bipolartransistoren, wie in früheren Artikeln (ELEVATOR WORLD, August und Dezember 2014) beschrieben. Obwohl der JFET einfacher zu verstehen ist, erwies er sich (zunächst) als schwieriger zu bauen als der Bipolartransistor.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes gelernt haben:
♦ Was JFETs ausmacht und ihre grundlegenden Eigenschaften
♦ So funktioniert ein JFET
♦ Die Unterschiede und Vorteile von N- und P-Kanal-JFETs
♦ Die Rolle von JFETs in der digitalen Revolution
♦ So beheben und testen Sie digitale Schaltungen mit JFETs

Zweck

Der JFET hatte gegenüber dem Bipolartransistor schon immer greifbare Vorteile und dominierte eine Zeitlang die Dreileiter-Halbleiterszene, bis er wiederum vom Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verdrängt wurde schließlich sowohl als diskrete Komponente als auch in integrierten Schaltkreisen (ICs) triumphiert (EW, Oktober 2014). Da das Gate des MOSFET vom Kanal isoliert ist, ist die Eingangsimpedanz noch höher als die des JFET. Die Stromaufnahme der vorgeschalteten Stufe ist sehr gering, so dass die Ausgangsschaltung nur verschwindend gering belastet wird. Aus diesem und anderen Gründen werden MOSFETs in großen Stückzahlen hergestellt, sowohl als diskrete Bauelemente als auch in ICs. Dennoch gibt es viele JFETs in älteren Geräten, die jetzt gewartet und gewartet werden müssen, und JFETs sind die Komponenten der Wahl für spezielle Anwendungen.

Wir haben zuvor gesehen, dass Dioden gebildet werden, wenn kristallines Silizium vom N- und P-Typ mit daran befestigten Leitungen sich zu zwei Schichten mit einem Übergang zwischen ihnen verbindet (EW, August 2014). Im Gegensatz dazu bestehen Bipolartransistoren aus drei Schichten (negativ-positiv-negativ oder positiv-negativ-positiv), die jeweils eine Zuleitung und zwei diese trennende Übergänge aufweisen (EW, Dezember 2014).

Der Stromfluss im Eingangskreis reguliert den viel stärkeren Stromfluss im Ausgangskreis. Das erklärt Verstärkung, Oszillation und andere nützliche Phänomene. Der JFET nutzt die gleichen Halbleitereigenschaften, aber die Struktur und die elektrischen Parameter unterscheiden sich. Dies kann zu Schwierigkeiten beim Testen und der Diagnose führen, ohne ein vollständiges Verständnis dafür zu haben, was mit den Elektronen und Löchern vor sich geht.

Zusammensetzung

Anstelle eines kleinen Zylinders mit drei aus einem Ende heraustretenden Leitungen ähnelt der JFET häufiger einer flachen Scheibe. In einem Bipolartransistor steuert der Stromfluss von der Basis zum Emitter den viel größeren Stromfluss vom Emitter zum Kollektor. Anstelle von Basis, Emitter und Kollektor gibt es im JFET ein Gate, Source und Drain. (Eigentlich gibt es zwei Gates, eines auf jeder Seite des Geräts. Sie sind normalerweise intern miteinander verdrahtet, also im Wesentlichen ein einzelnes Element.) Source und Drain befinden sich an beiden Enden eines dotierten Halbleiters, der als Kanal bekannt ist . Es kann vom N- oder P-Typ sein.

The source und Drain bilden die Ausgangsschaltung. Wie bei jedem Transistor ist der Ausgangsabschnitt im Grunde ein Widerstand. Der Widerstand variiert oft mit sehr hoher Geschwindigkeit entsprechend dem an die Eingangsanschlüsse angelegten Signal. Dieses Signal verursacht in einem Bipolartransistor Schwankungen in der Stromstärke, die zwischen Basis und Emitter fließt. Hier ist die Situation für einen JFET anders. Anstelle eines Stromflusses in der Eingangsschaltung ist das Betriebsereignis eine elektrische Ladung, die dem Gate auferlegt wird.

Natürlich muss diese Spannung auf etwas bezogen werden, und das ist the source. Das Tor u the sourcebilden zusammen eine Diode, da sie entgegengesetzte Typen (N und P) von halbleitendem kristallinem Silizium sind. Wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt sind, besteht zwischen ihnen eine sehr hohe Impedanz. Sie können sich die winzige Strommenge vorstellen, die erforderlich ist, um solch kleinen Körpern wie den beiden Toren eine elektrische Ladung aufzuerlegen. Daher ist ein definierendes Merkmal des JFET, dass er eine extrem hohe Eingangsimpedanz in der Größenordnung von 100 Megaohm hat. Es neigt nicht dazu, den vorgeschalteten Stromkreis zu belasten, was in vielen Fällen sehr günstig ist. Tatsächlich war eine wichtige Anwendung für den JFET als Front-End-Verstärkungsstufe in einem digitalen Voltmeter, wo es wünschenswert ist, für die zu testende Schaltung unsichtbar zu sein, insbesondere wenn diese Schaltung eine hohe Impedanz hat und anfällig für Belastung ist. All dies hängt natürlich davon ab, dass die Eingangsschaltung des JFET in Sperrrichtung vorgespannt ist; Wenn also die Polarität falsch ist und das Gerät in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wird der Transistor zerstört.

Struktur

JFETs sind in N- und P-Kanal-Versionen erhältlich. In der N-Kanal-Vorrichtung gibt es einen Überschuss an Elektronen im Kanal, und sie fungieren als Ladungsträger. The source und Drain bestehen ebenfalls aus kristallinem N-Kanal-Silizium. Sie sind an beiden Enden befestigt. Das Tor ist der entgegengesetzte Typ. Wenn es ein Potenzial in Bezug auf hat the source von 0 V ist der Strom durch den Kanal maximal. Wenn dann die negative Spannung zunimmt, werden die Elektronen vom Gate weg abgestoßen, so dass der Kanal tatsächlich schmaler und weniger leitfähig wird. Der Strom durch die Ausgangsschaltung variiert mit der Spannung am Eingangsanschluss. Der Kanal ist auf einem kristallinen Siliziumsubstrat aufgebaut, das dotiert wurde, um ihn vom entgegengesetzten Typ zu machen. Dieses Substrat kann mit der unterstützenden Schaltung elektrisch verbunden sein oder nicht. Es ist hauptsächlich nützlich, wenn der JFET Teil einer integrierten Schaltung ist.

In einem P-Kanal-JFET sind die Ladungsträger Löcher und keine Elektronen. Auch hier tritt ein maximaler Strom im Kanal auf, wenn das Gate in Bezug auf 0 V-Potential liegt the source. Wenn das Gate in positiver Richtung stärker aufgeladen wird, werden die Löcher abgestoßen, bis der Kanal effektiv geschlossen wird, an welchem ​​Punkt der Strom auf 0 abfällt. An diesem Punkt ist das Gerät gesättigt und hat einen weiteren Anstieg der Spannung am Gate keine direkte Auswirkung auf die Kanalleitung. Der Spannungspegel am Gate, der den Stromfluss im Gerät auf 0 reduziert, wird als „Abschnürspannung“ bezeichnet. Diese und weitere elektrische und physikalische Parameter sind im Datenblatt des Herstellers angegeben.

Gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz ist die Strommenge in Source, Channel und Drain sowohl intern als auch im äußeren Stromkreis gleich. Da es in dieser Ausgangsschaltung nur einen Halbleitertyp gibt, ist sie symmetrisch, und theoretisch sind Source- und Drain-Anschlüsse austauschbar. In der Praxis tritt jedoch, wenn die Drain-Stromversorgung 0.6 V überschreitet, eine Verzerrung in der Form der leitenden Zone des Kanals auf, wodurch seine Größe verringert wird, wenn er sich dem Drain nähert. Aus diesem Grund sollte bei einem N-Kanal-JFET die positive Spannung nur an den Drain angelegt werden.

Konfiguration

Als Verstärker kann der JFET in jeder dieser Konfigurationen verwendet werden: gemeinsames Gate, gemeinsame Source und gemeinsames Drain. Der Common-Gate-Verstärker entspricht der Basisschaltung des Bipolartransistors. Obwohl es die grundlegendste Anwendung ist, wird es tatsächlich weniger häufig als die anderen Konfigurationen verwendet. Sie ist jedoch die Schaltung der Wahl, wenn der Verstärker an oder nahe der oberen Frequenzgrenze des JFET arbeiten soll. Die Common-Gate-Konfiguration bietet eine hohe Spannungsverstärkung, aber eine niedrige Stromverstärkung; insgesamt ist der Leistungsgewinn geringer als bei anderen Konfigurationen. Im Gegensatz zu vielen Verstärkern sind Eingang und Ausgang sowohl bei N- als auch bei P-Kanal-Geräten in Phase. Die Eingangsimpedanz ist niedrig, während die Ausgangsimpedanz hoch ist.

Die am weitesten verbreitete JFET-Verstärkerkonfiguration ist der Common-Source-Anschluss. Das Äquivalent des Bipolartransistors ist die Common-Emitter-Schaltung. Die Leistungsverstärkung ist hoch und die Eingangsimpedanz ist viel höher als bei den bipolaren Schaltungen, jedoch niedriger als bei MOSFETs. Eingangs- und Ausgangswellenformen sind um 180 Grad phasenverschoben, was bei Berücksichtigung überhaupt kein Nachteil ist. Wenn es zwei oder eine andere gerade Anzahl von Stufen gibt, wird die endgültige Ausgabe wieder mit der Eingabe der ersten Stufe in Phase gebracht.

Die Common-Drain-Verstärkerkonfiguration wird auch als „Source-Follower“ bezeichnet. Es bietet eine hervorragende Pufferung und eine hohe Eingangsimpedanz, was bedeutet, dass die Vorstufe minimal belastet wird. Sowohl bei N- als auch bei P-Kanal-JFETs sind Eingang und Ausgang in Phase.

Digitale Bewerbung

Bisher hat dieser Artikel JFETs untersucht, die nur als analoge Geräte verwendet werden. Die Wahrheit ist jedoch, dass JFETs (zusammen mit anderen Halbleiterbauelementen) eine wesentliche Rolle bei der digitalen Revolution gespielt haben, die die Elektronik und unsere neu vernetzte Welt neu geschaffen hat.

Das zugrunde liegende Konzept der digitalen Technologie ist, dass statt der Leistung – elektrisch und mechanisch – Informationen verarbeitet werden. Dann wird das Denken zum Handeln: Aufzüge (um ein Beispiel zu nennen) fahren die vertikale Länge unserer Hochhäuser, öffnen und schließen Türen für Passagiere, reagieren auf die Brandmeldeanlage und statistische Verkehrsmuster, als wären sie zu bewusstem Denken fähig.

Die Basis der digitalen Domäne ist binär. Es werden nur zwei ganze Zahlen verwendet (0 und 1), die unterschiedlichen Spannungspegeln innerhalb und außerhalb der kristallinen Siliziumhalbleiter entsprechen. Null ist „aus“ (elektrisch) und falsch (logisch) und 1 ist „ein“ und „wahr“.

Logikgatter können mit elektromechanischen Relais, Hydraulik, Pneumatik, Molekülen, optischen Geräten oder verschiedenen Kombinationen von Zahnrädern und Getrieben gebaut werden. Bei elektronischen Geräten gilt unser Interesse hauptsächlich Silizium-Halbleiterbauelementen – Dioden und Transistoren – aufgrund ihrer außergewöhnlichen Zuverlässigkeit, ihres schnellen Betriebs, ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer geringen Größe, ihrer Verfügbarkeit in vielen Variationen und der geringen Kosten.

Es gibt sieben grundlegende digitale Logikgatter. (Eingänge werden immer links und Ausgänge rechts angezeigt.) Dies sind:

1. UND: Es gibt zwei (oder mehr) Eingänge und einen Ausgang. Wenn beide Eingänge 1 sind, ist der Ausgang 1. Wenn ein (oder mehrere) Eingang 0 ist, ist der Ausgang 0.
2. ODER: Wenn einer oder beide Eingänge 1 sind, ist der Ausgang 1. Wenn alle Eingänge 0 sind, ist der Ausgang 0.
3. XOR (EXKLUSIV-ODER): Dieses Gatter erzeugt eine 1-Ausgabe, wenn eine (aber nicht beide) Ausgabe 1 ist.
4. NICHT: ein logischer Inverter, dieses Gatter erzeugt einen 0-Ausgang, wenn der Eingang 1 ist, und einen 1-Ausgang, wenn der Eingang 0 ist.
5. NAND: Dies erzeugt eine Ausgabe von 0, wenn beide Eingaben 1 sind. Wenn eine oder beide Eingaben 0 sind, wird eine Ausgabe von 1 erzeugt.
6. NOR: Der Ausgang ist 1, wenn beide Eingänge 0 sind. Andernfalls ist der Ausgang 0.
7. XNOR: Der Ausgang ist 1, wenn beide Eingänge gleich sind und 0, wenn die beiden Ausgänge unterschiedlich sind.         

Logikgatter sind die Bausteine ​​digitaler Schaltungen, und in diesem Bereich hat sich der MOSFET durchgesetzt, der den JFET bis zu einem gewissen Grad verdrängt. Gleichzeitig umfasst das Szenario jedoch ein weiteres Gerät, den Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET). Eine unterstützende Rolle spielt die Schottky-Barriere-Diode (SBD), die den MESFET verbindet, um ein einzelnes Gerät zu bilden, das auf demselben Substrat aufgebaut, aber durch einen elektrisch nicht aktiven Isolationsbereich getrennt ist.

Die bisher behandelten Geräte basierten auf Silizium, aber für digitale Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten erfordern, musste man sich woanders umsehen. Zwar bewegen sich Elektronen je nach Medium mit einem großen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, aber sie benötigen viel längere Zeit, um in halbleitende Bauelemente hinein- und wieder herauszukommen. Und wo manchmal Millionen von Dioden und Transistoren in einem IC vorhanden sind, kann diese Latenz ein Problem sein. Aus diesem Grund können bestimmte Programme auf Computern (insbesondere Grafikanwendungen wie Aperture) langsam reagieren, selbst wenn der Computer nicht mit einem Netzwerk verbunden ist und die Festplatte nicht läuft.

Um dieser Situation abzuhelfen, haben sich Ingenieure Galliumarsenid (GaAs) zugewandt, einer Verbindung aus Gallium und Arsen. Elektronen bewegen sich in GaAs vom N-Typ viel schneller als in Silizium. Auf diese Weise hergestellte Halbleitervorrichtungen haben für die gleichen Eingangsspannungen einen viel höheren Ausgangsstrom, was sich in einer größeren Verstärkung niederschlägt. Bei höherem Ausgangsstrom erfolgt das Laden und Entladen von Lasten und parasitären Kapazitäten mit einer höheren Geschwindigkeit, was zu einer erhöhten Betriebsgeschwindigkeit führt.

GaAs-Geräte haben eine sichere Nische in Hochgeschwindigkeits-ICs für digitale Geräte gefunden, die weit über 100 MHz arbeiten. Ein Beispiel für diese Technologie ist der MESFET, der die oben erwähnte SBD enthält. Das gemeinsame GaAs-Substrat ist nicht dotiert und daher nicht sehr leitfähig. Vorteile dieser Konstruktion sind, dass die Bauelemente bei der Integration in einen Mikrochip gegeneinander isoliert sind. Außerdem werden parasitäre Kapazitäten zwischen Gerät und Schaltungsmasse reduziert.

Das Gate des MESFET ist direkt mit der Anode der Schottky-Diode verbunden. Die Anode und die Kathode sind so wie sie sind mit stark dotiertem Typ-N-Material verbunden the source und Drain im MESFET-Abschnitt. Das Gate ist mit einem leichter dotierten Stück Typ-N-GaAs verbunden, das den Kanal bildet. Um einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erleichtern, wird der Kanal so kurz wie möglich gemacht.

Der Betrieb des MESFET ähnelt einem Silizium-JFET, aber die elektrischen Parameter sind unterschiedlich. Diese Bauelemente sind nur in N-Kanal-Versionen verfügbar, weil sich das Verhalten von Löchern in einem P-Kanal-MESFET aufgrund der relativ trägen Driftmobilität innerhalb des Kanals als problematisch erwiesen hat.

Digitale Schaltungen, die auch JFETs als diskrete Komponenten innerhalb von ICs enthalten, können aufgrund der großen Anzahl verbundener Teile versagen. Wenn ein Fehler auftritt, wird der Elektroniker aufgefordert, die Funktionsfähigkeit wiederherzustellen.

Problemlösung

Der Fehlersuch- und Reparaturprozess kann von unglaublich einfach (z betrachten es als eine wertvolle Lernerfahrung und bewahren Sie eine positive Einstellung. Erwarten Sie nicht, alles innerhalb weniger Minuten zu reparieren. Manchmal erfordert es Geduld und methodisches Sammeln von Informationen, bevor wirklicher Fortschritt eintritt.

Wenn es um die digitale Fehlersuche geht, brauchen Sie die richtigen Werkzeuge, und diese lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Wissen (inklusive produktspezifischer Dokumentation) und gutes Testequipment. Was die Dokumentation angeht, ist eine große Menge im Internet verfügbar.

Nehmen wir als Beispiel an, dass ein Aufzug aufgehört hat zu laufen. Die alphanumerische Anzeige kann einen kryptischen Fehlercode ergeben. Wenn die Bedienungsanleitung verfügbar ist, sollten Sie den Fehlercode nachschlagen und das Problem zusammen mit einem Vorschlag zur Abhilfe finden können. Wenn die Bedienungsanleitung nicht verfügbar ist, kann sie wahrscheinlich von der Website des Herstellers heruntergeladen werden. Im Internet bietet die Eingabe von Marke, Modell und spezifischem Anliegen in eine Suchmaschine neben der Beschaffung produktspezifischer Dokumentationen beim Hersteller zahlreiche technische Foren und Tutorials zu gerätespezifischen Problemen. Bei körperlichen Schwierigkeiten, wie zum Beispiel das zerstörungsfreie Zerlegen eines Gehäuses, um an das Chassis zu gelangen, sind YouTube-Videos eine große Hilfe.

Der beste Zeitpunkt, um Vorbereitungen zu treffen, ist, bevor es zu Problemen kommt. Installieren Sie neben wichtigen Bedienfeldern und Motoren eine Telefonbuchse und geben Sie die Nummer der technischen Hotline des Herstellers zusammen mit Marken- und Modellnummern an, die möglicherweise schwer schnell zu finden sind, auf dem Typenschild. Außerdem sollten Kopien von Betriebs- und Installationshandbüchern und Schaltplänen in einem deutlich gekennzeichneten Schrank in der Nähe aufbewahrt werden.

Alle sicherheitsrelevanten oder für den Dauerbetrieb notwendigen Geräte – man denkt an einen Aufzug an einem öffentlichen Ort – sollte vor jeder Störung gründlich vorbereitet werden. Wärmebildaufnahmen und ein fortlaufendes Programm zum Anziehen von Hochstromanschlüssen sollten Teil des Bildes sein.

Bevor Sie sich die Schwachstromhalbleiter ansehen, überprüfen Sie den Hauptstromfluss. Typischerweise gibt es in großen Geräten eine dreiphasige Haupteinspeisung mit einem Trennschalter (der ausgesperrt werden kann), der zum Steuerungsschrank führt. Hier kann, wenn die Spannung nicht zu hoch ist, die Leistung an allen drei Beinen mit einem Voltmeter überprüft werden. Von dort zu einem Gleichrichter. Wenn das Gerät nicht läuft, sind häufig Dioden und große Elektrolytkondensatoren Schuld. Prüfen Sie visuell auf Anzeichen von Verzerrungen oder Verbrennungen, bevor Sie das Messgerät überprüfen.

Bei einem DC-Bus wie bei einem Frequenzumrichter wird empfohlen, beide Enden mit einem Oszilloskop zu betrachten. Die Gleichspannung sollte sauber und gleichmäßig mit minimaler Welligkeit oder Oberwellen aussehen. Der beste Weg, um ein Gefühl dafür für das jeweilige Gerät zu bekommen, besteht darin, Messungen zu einem Zeitpunkt durchzuführen, an dem das Gerät normal funktioniert. Bei kritischen Maschinen ist es wichtig, in regelmäßigen Abständen Messungen durchzuführen, um schädliche Trends zu erkennen, bevor es zu einem Ausfall kommt. Hängen Sie ein Protokoll neben dem Gerät an, damit die Ergebnisse für regelmäßige Vergleiche veröffentlicht werden können.

Wenn in Bezug auf die Hauptstrompfade alles gut aussieht, ist es an der Zeit, sich die Steuerschaltung anzusehen, die aus einer (oder mehreren) Leiterplatten besteht. Da die Spannungs- und Stromwerte viel niedriger sind, können fehlerhafte Komponenten wahrscheinlich nicht visuell (durch ein verbranntes oder verzerrtes Erscheinungsbild) erkannt werden. Außerdem sind Fehlersuche und Diagnose aufgrund der Schaltungskomplexität schwieriger. Leiterplatten werden immer dichter mit immer kleineren und zahlreicheren Bauteilen bestückt, wodurch die Strompfade schwieriger zu verfolgen sind. Folglich geht der Trend dahin, ganze Leiterplatten anstelle einzelner Komponenten zu ersetzen. Die Schwierigkeit dabei ist, dass die Boards (oder „Karten“, wie die kleineren genannt werden) ziemlich teuer geworden sind. Wenn jemand ein 400 US-Dollar teures Board kauft und ersetzt und die Ausrüstung immer noch nicht funktioniert, werden sein Wissen und sein Urteilsvermögen in Frage gestellt. Aufgrund der geringen Kosten ist es möglich, einen Bestand an Komponenten zu führen und diese bei Bedarf zu ersetzen. Auf einer dichten Platine ist es notwendig, einwandfreie Löt-, Kühlkörper- und Antistatik-Techniken einzusetzen.

Zu den Handwerkszeugen gehören neben der Dokumentation inklusive Schaltplänen Multimeter, Oszilloskop und Logiktastkopf. Der Logiktastkopf wird im Allgemeinen schaltungsgespeist und unterscheidet die eindeutigen hohen und niedrigen Zustände für die wichtigsten Logiktypen. Vollständige Gebrauchsanleitungen, verfügbare Modelle und Baupläne finden Sie im Internet.

Transistortests, einschließlich JFETs, werden am besten mit einem speziellen Messgerät durchgeführt: Schließen Sie einfach die Leitungen an und lesen Sie die Ergebnisse ab. Alternativ kann ein Multimeter (mit oder ohne Diodentestfunktion) verwendet werden. Das vollständige Verfahren mit ausschließlich der Ohmmeter-Funktion finden Sie in den zuvor erwähnten EW-Artikeln zu Transistoren.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Weiterbildungsbewertungsprüfung zu lernen, die online unter www.elevatorbooks.com oder auf S. 173 dieser Ausgabe.
♦ Welche Anschlüsse entsprechen bei einem JFET Basis, Emitter und Kollektor?
♦ Aus welchen Anschlüssen besteht der Ausgangskreis in einem JFET?
♦ Was ist die typische Eingangsimpedanz in einem JFET?
♦ Was passiert, wenn die Eingangsschaltung in einem JFET in Durchlassrichtung vorgespannt wird?
♦ Warum hat der MOSFET in den meisten Anwendungen den JFET ersetzt?