JFET'lerle Çalışmak

İş yerinde bağlantı alan etkili transistörler (JFET'ler) ile ilgili ayrıntılar ve bunlarla nasıl başa çıkılacağı

JFET'ler, katkılanmış N ve P tipi kristal silikon katmanlarından oluşur. Yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) içeren temel prensipler, önceki makalelerde (ELEVATOR WORLD, Ağustos ve Aralık 2014) ele alınan diyotlar ve bipolar transistörler için olanlara benzerdir. Anlaması daha basit olsa da, JFET'in (ilk başta) bipolar transistörden daha zor inşa edildiği kanıtlanmıştır.

Öğrenme hedefleri

Bu makaleyi okuduktan sonra şunları öğrenmiş olmalısınız:
♦ JFET'leri oluşturan unsurlar ve temel özellikleri
♦ JFET nasıl çalışır?
♦ N- ve P-kanal JFET'lerin farklılıkları ve faydaları
♦ Dijital devrimde JFET'lerin rolü
♦ JFET'leri içeren dijital devrelerde sorun giderme ve test etme

Amaç

JFET'in bipolar transistöre göre her zaman gözle görülür avantajları olmuştur ve bir süreliğine üç telli yarı iletken sahnesine hakim olmuştur, ta ki o da metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) tarafından bir kenara itilene kadar. sonunda hem ayrı bir bileşen olarak hem de entegre devreler (IC'ler) içinde zafer kazandı (EW, Ekim 2014). MOSFET'in kapısı kanaldan yalıtıldığı için giriş empedansı JFET'inkinden bile daha yüksektir. Önceki aşamadan çekilen akım çok düşüktür, bu nedenle çıkış devresine yalnızca sonsuz küçük miktarda yüklenir. Bu nedenle ve diğerleri için MOSFET'ler, hem ayrı bileşenler olarak hem de IC'ler içinde çok sayıda üretilmektedir. Yine de eski ekipmanlarda bakım ve servis gerektiren birçok JFET bulunmaktadır ve JFET'ler özel uygulamalarda tercih edilen bileşenlerdir.

Daha önce diyotların, uçları bağlı olan N ve P tipi kristal silikonun aralarında bir bağlantı ile iki katman oluşturmak üzere birleştiğinde oluştuğunu görmüştük (EW, Ağustos 2014). Buna karşılık, bipolar transistörler, her biri bir kurşun ve onları ayıran iki bağlantıya sahip üç katmandan (negatif-pozitif-negatif veya pozitif-negatif-pozitif) oluşur (EW, Aralık 2014).

Giriş devresindeki akım akışı, çıkış devresindeki çok daha ağır akım akışını düzenler. Bu, amplifikasyon, salınım ve diğer faydalı fenomenleri açıklar. JFET aynı yarı iletken özelliklerini kullanır, ancak yapı ve elektriksel parametreler farklıdır. Bu, elektronlarda ve deliklerde neler olup bittiğini tam olarak anlamadan test ve teşhiste zorluklara neden olabilir.

Bileşim

JFET, bir ucundan çıkan üç uçlu küçük bir silindirden ziyade daha çok düz bir diski andırır. Bipolar transistörde, tabandan emitöre akım akışı, emitörden kollektöre çok daha büyük akım akışını kontrol eder. JFET'te taban, emitör ve kollektörden ziyade kapı, kaynak ve tahliye vardır. (Aslında, cihazın her iki tarafında bir tane olmak üzere iki kapı vardır. Bunlar genellikle dahili olarak birbirine bağlanır, bu nedenle özünde tek bir öğedir.) Kaynak ve drenaj, kanal olarak bilinen katkılı bir yarı iletkenin her iki ucundadır. . N- veya P-tipi olabilir.

The source ve tahliye çıkış devresini oluşturur. Herhangi bir transistörde olduğu gibi, çıkış bölümü temelde bir dirençtir. Direnç, giriş terminallerine uygulanan sinyale göre genellikle çok yüksek hızda değişir. Bipolar transistördeki bu sinyal, baz ile emitör arasında akan akımın miktarında değişikliklere neden olur. JFET için durum burada farklıdır. Giriş devresindeki akım akışından ziyade, işlemsel olay kapıya yüklenen bir elektrik yüküdür.

Tabii ki, bu voltajın bir şeye atıfta bulunulması gerekiyor ve bu the source. kapı ve the source, birlikte alındığında, bir diyot oluştururlar, çünkü bunlar zıt tipte (N ve P) yarı iletken kristal silisyumdur. Ters taraflı olduğunda, aralarında çok yüksek empedans vardır. İki kapı gibi küçük cisimlere bir elektrik yükü yüklemek için gereken akımın küçük miktarını hayal edebilirsiniz. Bu nedenle, JFET'in tanımlayıcı bir özelliği, 100 megohm mertebesinde son derece yüksek giriş empedansına sahip olmasıdır. Çoğu durumda oldukça uygun olan yukarı akış devresini yükleme eğiliminde değildir. Aslında, JFET için önemli bir uygulama, bir dijital voltmetrede ön uç amplifikasyon aşaması olarak olmuştur; burada, test edilen devreye, özellikle devre yüksek empedanslıysa ve yüklemeye karşı savunmasızsa, görünmez olması istenir. Elbette tüm bunlar JFET'in giriş devresinin ters yönlü olmasına bağlıdır; bu nedenle, polarite yanlışsa ve cihaz ileriye dönükse, transistör yok edilir.

Structure

JFET'ler N- ve P-kanal versiyonlarında mevcuttur. N-kanal cihazında, kanalda bir elektron fazlası vardır ve bunlar yük taşıyıcı olarak işlev görür. The source ve drenaj ayrıca N-kanallı kristal silikondan yapılmıştır. Her iki uca da bağlanırlar. Kapı zıt tiptedir. açısından bir potansiyele sahip olduğunda the source 0 V, kanaldan geçen akım maksimumda. Ardından, negatif voltaj arttıkça, elektronlar geçitten uzağa itilir, böylece kanal aslında daha dar ve daha az iletken hale gelir. Çıkış devresinden geçen akım, giriş terminalindeki voltajla değişir. Kanal, zıt tipte olması için katkılı kristalli bir silikon substrat üzerine inşa edilmiştir. Bu alt tabaka, destek devresine elektriksel olarak bağlı olabilir veya olmayabilir. JFET bir entegre devrenin parçası olduğunda öncelikle yararlıdır.

Bir P-kanalı JFET'te yük taşıyıcılar elektronlar yerine deliklerdir. Burada yine kanaldaki maksimum akım, kapı 0 V potansiyelde olduğunda meydana gelir. the source. Kapı pozitif yönde daha fazla yüklendikçe delikler kanal etkin bir şekilde kapanana kadar itilir, bu noktada akım 0'a düşer. Bu noktada cihaz doymuştur ve kapıdaki voltajda daha fazla artış olur. kanal iletimi üzerinde doğrudan etkisi yoktur. Cihazdaki akım akışını 0'a düşüren geçit üzerindeki voltaj seviyesi “kıstırma voltajı” olarak bilinir. Bu ve diğer elektriksel ve fiziksel parametreler üreticinin veri sayfasında verilmiştir.

Kirchhoff'un Akım Yasasına göre, akım miktarı hem dahili hem de harici devrede kaynak, kanal ve drenaj boyunca aynıdır. Bu çıkış devresinde sadece bir yarı iletken tipi olduğundan simetriktir ve teoride kaynak ve boşaltma terminalleri birbirinin yerine kullanılabilir. Ancak fiili uygulamada, drenaj güç kaynağı 0.6 V'u aştığında, kanalın iletken bölgesinin şeklinde bozulma meydana gelir ve kanal drenaja yaklaştıkça boyutu azalır. Bu nedenle, N-kanallı bir JFET'te, yalnızca gidere pozitif voltaj uygulanmalıdır.

yapılandırma

Bir amplifikatör olarak, JFET şu konfigürasyonlardan herhangi birinde kullanılabilir: ortak geçit, ortak kaynak ve ortak tahliye. Ortak kapı amplifikatörü, bipolar transistörün ortak temel kurulumuna karşılık gelir. En temel uygulama olmasına rağmen aslında diğer konfigürasyonlara göre daha az görülmektedir. Bununla birlikte, amplifikatörün JFET'in üst frekans limitinde veya yakınında çalışması gerektiğinde tercih edilen devredir. Ortak geçit konfigürasyonu, yüksek voltaj kazancı ancak düşük akım kazancı sağlar; genel olarak, güç kazancı diğer konfigürasyonlardakinden daha azdır. Birçok amplifikatörün aksine, hem N hem de P tipi kanal cihazları için giriş ve çıkış aynı fazdadır. Giriş empedansı düşük, çıkış empedansı yüksek.

En yaygın olarak kullanılan JFET amplifikatör konfigürasyonu, ortak kaynak bağlantısıdır. Bipolar transistör eşdeğeri, ortak emitör devresidir. Güç kazancı yüksektir ve giriş empedansı, MOSFET'lerin gösterdiğinden daha düşük olmasına rağmen, bipolar devrelerdekinden çok daha yüksektir. Giriş ve çıkış dalga formları 180 derece faz dışıdır ve bu, dikkate alındığında hiç bir dezavantaj değildir. İki veya herhangi bir çift sayıda aşama varsa, nihai çıktı, ilk aşamadaki girdi ile tekrar faza getirilir.

Ortak drenajlı amplifikatör konfigürasyonu aynı zamanda "kaynak takipçisi" olarak da bilinir. Mükemmel tamponlama ve yüksek giriş empedansı sağlar, yani önceki aşamada minimum yükleme vardır. Hem N- hem de P-kanal JFET'lerinde giriş ve çıkış aynı fazdadır.

Dijital Uygulama

Şimdiye kadar, bu makale JFET'leri yalnızca analog aygıtlar olarak kullanıldığı şekilde incelemiştir. Ancak gerçek şu ki, JFET'ler (diğer yarı iletken cihazlarla birlikte), elektronikleri yeniden oluşturan dijital devrimde ve yeni ağ bağlantılı dünyamızda önemli bir rol oynamıştır.

Dijital teknolojinin altında yatan kavram, işlenenin güçten (elektriksel ve mekanik) ziyade bilgi olmasıdır. O zaman düşünce eyleme dönüşür: Asansörler (bir örnek almak gerekirse) yüksek binalarımızın dikey uzunluğu boyunca seyahat eder, yolcular için kapıları açıp kapatır, yangın alarm sistemine ve istatistiksel trafik kalıplarına sanki bilinçli düşünme yeteneğine sahipmiş gibi tepki verir.

Dijital alanın temeli ikilidir. Kristal silikon yarı iletkenlerin içinde ve dışında farklı voltaj seviyelerine karşılık gelen sadece iki tam sayı (0 ve 1) kullanılır. Sıfır "kapalı" (elektriksel olarak) ve yanlıştır (mantıksal olarak), 1 ise "açık" ve "doğru"dur.

Mantık kapıları elektromekanik röleler, hidrolik, pnömatik, moleküller, optik cihazlar veya çeşitli dişli ve dişli kombinasyonları kullanılarak oluşturulabilir. Elektronik ekipmanlarda, olağanüstü güvenilirlikleri, yüksek hızlı çalışmaları, düşük güç tüketimi, küçük boyutları, birçok varyasyonda bulunabilirliği ve düşük maliyetleri nedeniyle ilgimiz çoğunlukla silikon yarı iletken cihazlara – diyotlar ve transistörlere – yöneliktir.

Yedi temel dijital mantık kapısı vardır. (Girişler her zaman solda, çıkışlar sağda gösterilir.) Bunlar:

1. VE: iki (veya daha fazla) girdi ve bir çıktı vardır. Her iki giriş de 1 ise çıkış 1'dir. Bir (veya daha fazla) giriş 0 ise çıkış 0'dır.
2. VEYA: girişlerden biri veya her ikisi 1 ise çıkış 1'dir. Tüm girişler 0 ise çıkış 0'dır.
3. XOR (EXCLUSIVE-OR): bu geçit, çıktılardan biri (ikisi birden değil) 1 ise 1 çıktı üretir.
4. NOT: bir lojik invertör, bu geçit giriş 0 ise 1 çıkış ve giriş 1 ise 0 çıkış üretir.
5. NAND: bu, her iki giriş de 0 ise 1 çıkış üretir. Girişlerden biri veya her ikisi de 0 ise, 1 çıkış üretir.
6. NOR: her iki giriş de 1 ise çıkış 0'dir. Aksi takdirde çıkış 0 olur.
7. XNOR: her iki giriş de aynıysa çıkış 1, iki çıkış farklıysa 0'dır.         

Mantık kapıları dijital devrelerin yapı taşlarıdır ve bu alanda MOSFET hakim hale gelerek JFET'i bir ölçüde kenara itmiştir. Ancak, aynı anda, senaryo başka bir cihazı, metal yarı iletken alan etkili transistörü (MESFET) içeriyor hale geldi. Destekleyici bir rolde, MESFET'i aynı alt tabaka üzerine inşa edilmiş ancak elektriksel olarak aktif olmayan bir izolasyon bölgesi ile ayrılmış tek bir cihaz oluşturmak üzere birleştiren Schottky bariyer diyotu (SBD) bulunur.

Şimdiye kadar ele alınan cihazlar silikon bazlıydı, ancak yüksek hız gerektiren dijital uygulamalar için başka yerlere bakmak gerekiyordu. Elektronların ortama bağlı olarak ışık hızının büyük bir bölümünde hareket ettikleri doğru olsa da, yarı iletken cihazlara girip çıkmaları için çok daha uzun süreler gerekir. Ve bir IC'de bazen milyonlarca diyot ve transistör olduğunda, bu gecikme bir sorun olabilir. Bu nedenle bilgisayarlardaki bazı programlar (özellikle Aperture gibi grafik uygulamaları), bilgisayar bir ağa bağlı olmadığında ve sabit sürücü çalışmıyorken bile yavaş hareket edebilir.

Bu durumu düzeltmek için mühendisler, galyum ve arsenikten oluşan bir bileşik olan galyum arsenide (GaAs) yöneldiler. Elektronlar, N-tipi GaAs'ta silikondan çok daha hızlı hareket eder. Aynı giriş voltajları için bu şekilde yapılan yarı iletken cihazlar, daha yüksek kazanç anlamına gelen çok daha yüksek çıkış akımına sahiptir. Daha yüksek çıkış akımı ile, yükün şarj ve deşarjı ve parazitik kapasitanslar daha yüksek bir oranda meydana gelir, sonuç çalışma hızının artmasıdır.

GaAs cihazları, 100 mHz'in çok üzerinde çalışan dijital ekipman için yüksek hızlı IC'lerde güvenli bir yer buldu. Bu teknolojinin bir örneği, yukarıda belirtilen SBD'yi içeren MESFET'tir. Ortak GaAs substratı katkılı değildir ve bu nedenle çok iletken değildir. Bu yapıdaki avantajlar, bir mikroçipe entegre edildiğinde cihazların birbirinden yalıtılmasıdır. Ayrıca cihaz ile devre topraklaması arasındaki parazitik kapasitanslar azaltılır.

MESFET kapısı, doğrudan Schottky-bariyer diyotunun anotuna bağlıdır. Anot ve katot, ağır katkılı Type-N malzemeye bağlanır. the source ve MESFET bölümünde boşaltın. Geçit, kanalı oluşturan daha hafif katkılı bir Tip-N GaAs parçasına bağlanmıştır. Yüksek hızda çalışmayı kolaylaştırmak için kanal mümkün olduğunca kısa yapılır.

MESFET'in çalışması silikon JFET'e benzer, ancak elektriksel parametreler farklıdır. Bu cihazlar N-kanal versiyonlarında mevcuttur, çünkü bir P-kanalı MESFET'teki deliklerin davranışı, kanal içindeki nispeten yavaş sürüklenme hareketliliği nedeniyle sorunlu olduğunu kanıtlamıştır.

IC'ler içinde ayrı bileşenler olarak JFET'leri de içeren dijital devre, çok sayıda bağlı parça nedeniyle arızaya tabidir. Arıza meydana geldiğinde, elektronik teknisyeni işlevselliği geri yüklemesi için çağrılır.

Sorun giderme

Sorun giderme ve onarım süreci, inanılmaz derecede basit olandan (bir dal-devre aşırı akım cihazını sıfırlamak gibi), teknisyenin bilgi ve uzmanlığının son sınırına kadar zorlandığı çok zor bir şeye kadar değişebilir; bu durumda en iyisi Bunu değerli bir öğrenme deneyimi olarak kabul edin ve olumlu bir tutum sergileyin. Her şeyi birkaç dakika içinde düzeltmeyi beklemeyin. Bazen, gerçek ilerleme gerçekleşmeden önce sabır ve metodik bilgi toplamayı gerektirir.

Dijital sorun giderme söz konusu olduğunda, doğru araçlara ihtiyacınız vardır ve bunlar iki kategoriye ayrılır: bilgi (ürüne özel belgeler dahil) ve iyi test ekipmanı. Belgelere gelince, internette büyük miktarda mevcuttur.

Örnek olarak, bir asansörün çalışmayı bıraktığını varsayalım. Alfanümerik okuma, şifreli bir hata kodu verebilir. Kullanım kılavuzu mevcutsa, hata kodunu arayabilir ve önerilen bir çözümle birlikte sorunu keşfedebilirsiniz. Kullanım kılavuzu mevcut değilse, muhtemelen üreticinin web sitesinden indirilebilir. İnternette, üreticiden ürüne özel belgeler edinmenin yanı sıra, bir arama motoruna marka, model ve özel endişeleri yazmak, ekipmana özel sorunları kapsayan çok sayıda teknik forum ve öğretici sağlayabilir. Kasaya erişmek için kabini tahribatsız bir şekilde ayırmak gibi fiziksel zorluklar ortaya çıktığında, YouTube videoları çok yardımcı oluyor.

Hazırlık yapmak için en iyi zaman, bela patlamadan önceki zamandır. Kritik kontrol panellerinin ve motorların yanına bir telefon prizi takın ve üreticinin teknik yardım hattının numarasını, marka ve model numaralarının yanı sıra isim plakasında hızlı bir şekilde bulunması zor olabilecek numaralarını yazın. Ek olarak, kullanım ve kurulum kılavuzlarının ve şemaların kopyaları, yakındaki açıkça işaretlenmiş bir dolapta saklanmalıdır.

Güvenlik veya sürekli çalışma için gerekli olan herhangi bir ekipman – akla halka açık bir yerde bulunan bir asansör geliyor – herhangi bir arızadan önce kapsamlı bir hazırlığa tabi tutulmalıdır. Termal görüntüleme ve devam eden yüksek akım sonlandırmaları torklama programı resmin bir parçası olmalıdır.

Düşük güçlü yarı iletkenlere bakmadan önce ana güç akışını doğrulayın. Tipik olarak, büyük ekipmanlarda, kontrol panosuna giden bir bağlantı kesmeli (kilitlenebilir) üç fazlı bir ana besleme vardır. Burada voltaj çok yüksek değilse, bir voltmetre ile üç bacağın da gücü kontrol edilebilir. Oradan bir doğrultucuya. Ekipman çalışmadığında, diyotlar ve büyük elektrolitik kapasitörler sıklıkla suçludur. Sayaç kontrollerini yapmadan önce herhangi bir bozulma veya yanma belirtisi olup olmadığını görsel olarak kontrol edin.

Değişken frekanslı bir sürücüde olduğu gibi bir DC bara varsa, osiloskopla her iki uca da bakılması tavsiye edilir. DC voltajı, minimum dalgalanma veya harmonik ile temiz ve düzgün görünmelidir. Belirli ekipman için bunu anlamanın en iyi yolu, ekipmanın normal çalıştığı bir zamanda okuma yapmaktır. Kritik makineler için, bir kesinti olmadan önce zararlı eğilimleri tespit etmek için düzenli aralıklarla okumalar yapmak önemlidir. Sonuçların periyodik karşılaştırmalar için gönderilebilmesi için ekipmanın yanına bir günlük gönderin.

Ana güç yolları açısından her şey yolunda görünüyorsa, bir (veya daha fazla) devre kartından oluşacak kontrol devresine bakmanın zamanı gelmiştir. Gerilim ve akım seviyeleri çok daha düşük olduğundan, arızalı bileşenler görsel olarak (yanmış veya bozuk bir görünümle) muhtemelen tespit edilemeyecektir. Ayrıca, devre karmaşıklığı nedeniyle sorun giderme ve tanılama daha zordur. Baskılı devre kartları giderek daha küçük ve daha çok sayıda bileşenle daha yoğun bir şekilde dolduruluyor, bu da mevcut yolların izlenmesinin daha zor olduğu anlamına geliyor. Sonuç olarak, eğilim, tek tek bileşenlerin aksine tüm devre kartlarının değiştirilmesi haline geldi. Buradaki zorluk, tahtaların (veya daha küçük olarak bilinen “kartlar”) oldukça pahalı hale gelmesidir. Bir kişi 400 ABD Doları değerinde bir pano satın alıp değiştirirse ve ekipman hala çalışmıyorsa, bilgisi ve yargısı sorgulanacaktır. Düşük maliyet nedeniyle, bileşenlerin bir envanterini tutmak ve gerektiğinde bunları değiştirmek mümkündür. Sıkı bir tahtada kusursuz lehimleme, soğutma ve statik koruma tekniklerini kullanmak gerekir.

Ticaretin araçları, şemaları içeren dokümantasyonun yanı sıra multimetre, osiloskop ve mantık sondasıdır. Mantık probu genellikle devre gücüyle çalışır ve temel mantık türleri için benzersiz yüksek ve düşük durumları ayırt eder. Tam kullanım talimatları, mevcut modeller ve bunları oluşturmak için planlar İnternette bulunabilir.

JFET'ler de dahil olmak üzere transistör testi en iyi şekilde özel bir ölçüm cihazı ile gerçekleştirilir: sadece kabloları bağlayın ve sonuçları okuyun. Alternatif olarak, bir multimetre (diyot test fonksiyonu olan veya olmayan) kullanılabilir. Ohmmetre işlevinden başka bir şey kullanmadan tam prosedür için transistörler hakkında daha önce bahsedilen EW makalelerine bakın.

Öğrenme-Takviye Soruları

www.elevatorbooks.com veya sf.173'de çevrimiçi olarak bulunan Sürekli Eğitim Değerlendirme Sınavına çalışmak için aşağıdaki öğrenme-pekiştirme sorularını kullanın. Bu konunun XNUMX.
♦ Bir JFET'te hangi terminaller taban, emitör ve toplayıcıya karşılık gelir?
♦ Bir JFET'te hangi terminaller çıkış devresini oluşturur?
♦ Bir JFET'teki tipik giriş empedansı nedir?
♦ Bir JFET'teki giriş devresi ileriye doğru kutuplanırsa ne olur?
♦ MOSFET neden çoğu uygulamada JFET'in yerini aldı?