使用 JFET

有关以及如何处理工作中的结型场效应晶体管 (JFET) 的详细信息

JFET 由经过掺杂的 N 型和 P 型晶体硅层组成。涉及电荷载体（电子和空穴）的基本原理与二极管和双极晶体管的原理类似，如之前文章（《电梯世界》，2014 年 XNUMX 月和 XNUMX 月）所述。虽然 JFET 更容易理解，但事实证明（一开始）制造起来比双极晶体管更困难。

学习目标

看完这篇文章，你应该已经学会了：
♦ 什么构成 JFET 及其基本特性
♦ JFET 的工作原理
♦ N 沟道和 P 沟道 JFET 的区别和优势
♦ JFET 在数字革命中的作用
♦ 如何对包含 JFET 的数字电路进行故障排除和测试

目的

与双极晶体管相比，JFET 一直具有明显的优势，有一段时间，它在三线半导体领域占据主导地位，直到它被金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 推到一边。最终作为分立元件和集成电路 (IC) 取得了胜利（EW，2014 年 XNUMX 月）。 由于 MOSFET 的栅极与通道绝缘，因此输入阻抗甚至高于 JFET。 从前级汲取的电流非常低，因此输出电路的负载非常小。 由于这个原因和其他原因，MOSFET 被大量制造，作为分立元件和 IC 内部。 尽管如此，在现在需要维护和维修的旧设备中仍有许多 JFET，而 JFET 是特殊应用中的首选组件。

我们之前看到，当 N 型和 P 型晶体硅与引线连接在一起形成两个层时，就会形成二极管，它们之间有一个结（EW，2014 年 2014 月）。 相比之下，双极晶体管由三层（负-正-负或正-负-正）组成，每层都有一个引线和两个将它们分开的结（EW，XNUMX 年 XNUMX 月）。

输入电路中的电流调节输出电路中更重的电流。 这说明了放大、振荡和其他有用的现象。 JFET利用相同的半导体特性，但结构和电气参数不同。 如果不完全了解电子和空穴的情况，这可能会给测试和诊断带来困难。

组成成分

JFET 不是一个从一端伸出三个引线的小圆柱体，它更像是一个扁平的圆盘。 在双极晶体管中，从基极到发射极的电流控制着从发射极到集电极的大得多的电流。 JFET 中没有基极、发射极和集电极，而是有栅极、源极和漏极。 （实际上，有两个栅极，一个在器件的两侧。它们通常在内部连接在一起，因此，本质上，它们是一个元件。）源极和漏极位于被称为通道的掺杂半导体的两端. 它可以是 N 型或 P 型。

The source 和漏极构成输出电路。 与任何晶体管一样，输出部分基本上是一个电阻器。 根据施加到输入端子的信号，电阻通常以非常高的速度变化。 该信号在双极晶体管中会导致基极和发射极之间流动的电流量发生变化。 正是在这里，JFET 的情况有所不同。 与输入电路中的电流不同，操作事件是施加在栅极上的电荷。

当然，这个电压必须参考一些东西，那就是 the source. 大门和 the source一起构成一个二极管，因为它们是相反类型（N 和 P）的半导体晶体硅。 当反向偏置时，它们之间有非常高的阻抗。 你可以想象在像两个门这样的小物体上施加电荷所需的微量电流。 因此，JFET 的一个决定性特征是它具有极高的输入阻抗，大约为 100 兆欧。 它不倾向于加载上游电路，这在许多情况下是非常有利的。 事实上，JFET 的一个重要应用是作为数字电压表中的前端放大级，其中希望对被测电路不可见，特别是如果该电路是高阻抗且易受负载影响时。 当然，所有这些都取决于 JFET 的输入电路是否被反向偏置。 因此，如果极性错误并且器件正向偏置，则晶体管会被破坏。

结构

JFET 提供 N 和 P 通道版本。 在 N 沟道器件中，沟道中有多余的电子，它们充当电荷载流子。 The source 和漏极也由N沟道晶体硅制成。 它们连接在两端。 门是相反的类型。 当它有潜力时 the source 0 V 时，通过通道的电流最大。 然后，随着负电压的增加，电子被排斥在栅极之外，因此沟道实际上变得更窄且导电性降低。 通过输出电路的电流随输入端子上的电压而变化。 该通道建立在晶体硅衬底上，该衬底已被掺杂以使其成为相反的类型。 该衬底可以电连接或不电连接到支持电路。 当 JFET 是集成电路的一部分时，它主要是有用的。

在 P 沟道 JFET 中，电荷载流子是空穴，而不是电子。 同样，当栅极相对于 0 V 电位时，通道中出现最大电流 the source. 随着栅极在正方向上变得更高电荷，空穴被排斥，直到通道有效关闭，此时电流降至 0。此时，器件饱和，栅极上的电压进一步增加对通道传导没有直接影响。 将器件中的电流降至 0 的栅极电压电平称为“夹断电压”。 制造商的数据表中给出了该参数和其他电气和物理参数。

根据基尔霍夫电流定律，在内部和外部电路中，源极、沟道和漏极中的电流量是相同的。 由于该输出电路中只有一种半导体类型，所以它是对称的，并且理论上源极和漏极端子是可以互换的。 然而，在实际应用中，当漏极电源超过 0.6 V 时，沟道导电区的形状会发生畸变，随着它靠近漏极而减小其尺寸。 因此，在 N 沟道 JFET 中，正电压应仅施加到漏极。

配置

作为放大器，JFET 可用于以下任何配置：公共栅极、公共源极和公共漏极。 公共栅极放大器对应于双极晶体管的公共基极设置。 尽管是最基本的应用程序，但它实际上比其他配置更少见。 然而，当放大器需要在 JFET 的频率上限或接近上限频率下工作时，它是首选电路。 共栅配置提供高电压增益但低电流增益； 总体而言，功率增益小于其他配置。 与许多放大器不同，N 型和 P 型通道器件的输入和输出同相。 输入阻抗低，而输出阻抗高。

最广泛使用的 JFET 放大器配置是共源连接。 双极晶体管等效电路是共发射极电路。 功率增益很高，输入阻抗远高于双极电路，但低于 MOSFET 所表现出的阻抗。 输入和输出波形相差180度，只要考虑到这一点，这根本不是缺点。 如果有两个或任何其他偶数级，最终输出将与第一级的输入恢复同相。

共漏放大器配置也称为“源极跟随器”。 它提供出色的缓冲和高输入阻抗，这意味着前一级的负载最小。 在 N 和 P 沟道 JFET 中，输入和输出同相。

数字应用

到目前为止，本文已经研究了仅用作模拟设备的 JFET。 但是，事实是 JFET（连同其他半导体器件）在重塑电子产品和我们新的网络世界的数字革命中发挥了重要作用。

数字技术的基本概念是，处理的不是电力——电气和机械——而是信息。 然后，思想变成了行动：电梯（举个例子）在我们高层建筑的垂直长度上运行，为乘客打开和关闭门，对火警系统和统计交通模式做出响应，就好像它们能够有意识地思考一样。

数字域的基础是二进制的。 仅采用两个整数（0 和 1），对应于晶体硅半导体内部和外部的不同电压电平。 零是“关闭”（电气上）和假（逻辑上），1 是“开”和“真”。

可以使用机电继电器、液压、气动、分子、光学设备或齿轮和齿轮的各种组合来构建逻辑门。 在电子设备中，我们的兴趣主要是硅半导体器件——二极管和晶体管——因为它们具有非凡的可靠性、高速运行、低功耗、小尺寸、多种变化和低成本。

有七个基本的数字逻辑门。 （输入始终显示在左侧，输出显示在右侧。）它们是：

1. AND：有两个（或更多）输入和一个输出。 如果两个输入都为 1，则输出为 1。如果一个（或多个）输入为 0，则输出为 0。
2. 或：如果一个或两个输入为 1，则输出为 1。如果所有输入为 0，则输出为 0。
3. XOR（异或）：如果其中一个（但不是两个）输出为 1，则此门产生 1 输出。
4. NOT：逻辑反相器，如果输入为 0，则该门产生 1 输出，如果输入为 1，则产生 0 输出。
5. NAND：如果两个输入都为 0，则产生 1 输出。如果一个或两个输入都为 0，则产生 1 输出。
6. NOR：如果两个输入都是 1，则输出为 0。否则，输出将为 0。
7. XNOR：如果两个输入相同，则输出为 1，如果两个输出不同，则输出为 0。         

逻辑门是数字电路的基石，在这个领域，MOSFET占据了主导地位，在一定程度上将JFET推到了一边。 但是，与此同时，这种情况已经包括另一种设备，金属半导体场效应晶体管 (MESFET)。 肖特基势垒二极管 (SBD) 起到辅助作用，它与 MESFET 连接在一起，形成一个构建在同一衬底上的单个器件，但被非电活性隔离区隔开。

迄今为止涵盖的设备都是基于硅的，但对于需要高速的数字应用，有必要寻找其他地方。 虽然电子确实以光速的主要部分根据介质传播，但它们进出半导体器件需要更长的时间。 而且，有时一个 IC 中有数百万个二极管和晶体管，这种延迟可能是一个问题。 这就是为什么计算机上的某些程序（尤其是 Aperture 等图形应用程序）可能会在计算机未连接到网络且硬盘未运行时运行缓慢的原因。

为了解决这种情况，工程师们转向了砷化镓 (GaAs)，它是一种由镓和砷形成的化合物。 电子在 N 型 GaAs 中的传播速度比在硅中快得多。 对于相同的输入电压，如此制造的半导体器件具有更高的输出电流，从而转化为更大的增益。 随着更高的输出电流，负载和寄生电容的充电和放电发生率更高，结果是提高了运行速度。

GaAs 器件已在用于运行频率超过 100 mHz 的数字设备的高速 IC 中找到了安全的位置。 这种技术的一个例子是包含上述 SBD 的 MESFET。 普通的 GaAs 衬底没有掺杂，因此导电性不是很好。 这种结构的优点是当集成到微芯片中时，这些设备彼此绝缘。 此外，器件和电路接地之间的寄生电容也减少了。

MESFET 栅极直接连接到肖特基势垒二极管的阳极。 阳极和阴极与重掺杂的 N 型材料键合，如下所示 the source 和 MESFET 部分的漏极。 栅极键合到更轻掺杂的 N 型 GaAs 片上，形成沟道。 为了便于高速操作，通道尽可能短。

MESFET 的操作类似于硅 JFET，但电气参数不同。 这些器件仅在 N 沟道版本中可用，因为 P 沟道 MESFET 中的空穴行为已证明存在问题，因为沟道内的漂移迁移率相对缓慢。

还包含 JFET 作为 IC 内分立元件的数字电路由于连接件数量庞大而容易出现故障。 当故障发生时，电子技术人员被要求恢复功能。

故障排除

故障排除和维修过程可能非常简单（例如重置分支电路过流设备），也可能非常困难，以至于技术人员的知识和专业知识被推到了极限，在这种情况下，最好将其视为宝贵的学习经验，并保持积极的态度。 不要期望在几分钟内解决所有问题。 有时，在真正取得进展之前需要耐心和有条不紊地收集信息。

当涉及到数字故障排除时，您需要正确的工具，这些工具分为两类：知识（包括特定于产品的文档）和良好的测试设备。 至于文档，可以在 Internet 上获得大量文档。

例如，假设电梯已停止运行。 字母数字读数可能会给出一个神秘的错误代码。 如果有操作手册，您应该能够查找错误代码并发现问题以及建议的补救措施。 如果没有操作手册，可以从制造商的网站上下载。 在 Internet 上，除了从制造商处获取特定于产品的文档外，在搜索引擎中输入品牌、型号和特定关注点还可以提供许多涵盖设备特定问题的技术论坛和教程。 当出现物理困难时，例如以无损方式拆开机柜以接触机箱，YouTube 视频会提供很大帮助。

最好的准备时间是在麻烦爆发之前。 在关键的控制面板和电机附近，安装一个电话插孔并张贴制造商的技术帮助热线号码，以及可能难以在铭牌上快速找到的品牌和型号。 此外，操作和安装手册和原理图的副本应存放在附近有明确标记的柜子中。

任何对安全或连续运行必不可少的设备——想到公共场所的电梯——都应该在发生任何故障之前进行充分准备。 热成像和正在进行的扭矩大电流端接程序应该是图片的一部分。

在查看低功率半导体之前，先验证主功率流。 通常，在大型设备中，有一个三相主馈电，带有一个连接到控制器机柜的断开连接（能够锁定）。 在这里，如果电压不是太高，可以用电压表检查所有三个支路的电源。 然后是整流器。 当设备无法运行时，二极管和大型电解电容器是常见的罪魁祸首。 在进行仪表检查之前，目视检查是否有任何变形或燃烧的迹象。

如果有变频驱动等直流母线，建议用示波器看两端。 直流电压应该看起来干净、均匀，纹波或谐波最小。 了解特定设备的最佳方法是在设备正常运行时读取读数。 对于关键机械，重要的是定期读取读数，以便在停机之前发现有害趋势。 在设备旁边张贴日志，以便可以张贴结果以进行定期比较。

如果在主电源路径方面一切正常，那么是时候查看由一个（或多个）电路板组成的控制电路了。 由于电压和电流水平要低得多，因此不太可能在视觉上检测到故障组件（通过烧毁或变形的外观）。 此外，由于电路复杂，故障排除和诊断更加困难。 印刷电路板越来越密集，组件越来越小，数量越来越多，这意味着电流路径更难追踪。 因此，趋势已成为替换整个电路板，而不是单个组件。 这里的困难在于板（或“卡片”，因为较小的已知）变得相当昂贵。 如果购买并更换了 400 美元的电路板，但设备仍然无法工作，则会质疑他或她的知识和判断力。 由于成本低，保留组件库存并根据需要更换它们是可行的。 在紧密的电路板上，必须采用无可挑剔的焊接、散热和静电保护技术。

除了包括原理图在内的文档外，该行业的工具还有万用表、示波器和逻辑探头。 逻辑探头通常由电路供电，它区分主要逻辑类型的独特高低状态。 完整的使用说明、可用的模型和构建它们的计划可以在 Internet 上找到。

晶体管测试，包括 JFET，最好使用专用仪表完成：只需连接引线并读取结果。 或者，可以使用万用表（带或不带二极管测试功能）。 请参阅前面提到的关于晶体管的电子战文章，了解仅使用欧姆表功能的完整程序。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第173期。
♦ 在 JFET 中，哪些端子对应于基极、发射极和集电极？
♦ 哪些端子构成 JFET 中的输出电路？
♦ JFET 中的典型输入阻抗是多少？
♦ 如果 JFET 中的输入电路正向偏置会发生什么？
♦ 为什么在大多数应用中 MOSFET 取代了 JFET？