ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กเชื่อมต่อ (Junction Field Effect Transistor: TITS) เป็นส่วนประกอบพื้นฐานที่ทำงานบนหลักการควบคุมสนามไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์สามขั้ว ประกอบด้วยขั้วเกต ขั้วเดรน และขั้วซอร์ส

JFET มีสองประเภท ได้แก่ JFET แบบ N-channel และ JFET แบบ P-channel JFET แบบ N-channel ควบคุมการไหลของกระแสผ่านอิเล็กตรอน ในขณะที่ JFET แบบ P-channel อาศัยการเคลื่อนที่ของโฮลในบริเวณที่ไม่มีอิเล็กตรอน ขั้วเกตมีบทบาทสำคัญในการนำกระแสและควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรน JFET ยังมีประโยชน์ในวงจร switching เนื่องจากสามารถใช้เป็นตัวต้านทานที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าได้

ในบทความนี้ เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับ JFET คืออะไรและคำศัพท์สำคัญ โครงสร้างและการทำงานของ JFET ประเภทของ JFET คุณสมบัติและลักษณะเฉพาะ และการใช้งานของทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กที่จุดเชื่อมต่อโดยละเอียด

สารบัญ

• JFET คืออะไร?
• คำศัพท์สำคัญ
• การก่อสร้าง
• การทำงาน
• ประเภทของ JFET
• ลักษณะเฉพาะ
• แอปพลิเคชัน

JFET คืออะไร?

JFET คือวงจรไฟฟ้าหรืออาจกล่าวได้ว่าเป็น วงจรขับเคลื่อน ด้วยแรงดันไฟฟ้าซึ่งหมายความว่า JFET เป็นวงจรไฟฟ้า แบบสาม ขั้วทิศทางเดียวอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้มีหลายประเภท ได้แก่ทรานซิสเตอร์ สนามแม่เหล็กแบบจังก์ชัน (JFET) แบบ N-channel และแบบ P-channel พวกมันควบคุมกระแสไฟฟ้าโดยการจัดการการเคลื่อนที่ของตัวนำประจุ ซึ่งมีความสำคัญต่อการขยายสัญญาณ การสวิตช์และวงจรอนาล็อก

ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กชนิดหนึ่งคือทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กที่จุดเชื่อมต่อ (Junction Field Impact Transistor หรือ TITT) ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กที่จุดเชื่อมต่อตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1953 ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กที่จุดเชื่อมต่อถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องการความต้านทานอินพุตสูงมาก ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กที่จุดเชื่อมต่อเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นอุปกรณ์แบบทิศทางเดียว เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลเฉพาะบนตัวนำ ส่วนใหญ่เท่านั้น ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ชนิดอื่น ๆ ทั้งตัวนำส่วนใหญ่และตัวนำส่วนน้อยสามารถได้รับประโยชน์จากการไหลของกระแสไฟฟ้าได้

คำศัพท์สำคัญของ JFET

• ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อ (JFET): ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อเป็นอุปกรณ์ เซมิคอนดักเตอร์สามขั้วประกอบด้วยเกต เดรน และซอร์ส อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานโดยอาศัยหลักการของสนามไฟฟ้าซึ่งควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากซอร์สไปยังเดรน
• เกต:ขั้วต่อนี้มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์นี้
• แหล่งกำเนิดและจุดระบาย:แหล่งกำเนิดคือขั้วที่กระแสไฟฟ้าไหลเข้า และจุดระบายคือขั้วที่กระแสไฟฟ้าไหลออก การไหลของอิเล็กตรอนสามารถควบคุมได้ด้วยเกต
• อิมพีแดนซ์สูง:อิมพีแดนซ์ของ JFET สูง ซึ่งอาจเหมาะสมสำหรับการใช้งาน เช่นวงจรขยายสัญญาณที่ต้องการควบคุมการโหลดสัญญาณอินพุตของวงจรขยายสัญญาณ
• การไบแอส:นี่คือกระบวนการป้อนสัญญาณภายนอกเข้าไปที่ขั้วเกตของ JFET เพื่อให้ได้จุดการทำงานที่ต้องการ

การสร้างทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบจังก์ชัน (JFET)

ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กเชื่อมต่อ (Junction Field Effect Transistor: JFET) เป็น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามขั้วที่ประกอบด้วยแท่งวัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางๆ เป็นหลัก วัสดุอาจเป็นซิลิคอนหรือแกลเลียมอาร์เซไนด์ โครงสร้างของ JFET สามารถสร้างช่องใน วัสดุ เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งทำหน้าที่เป็นทางไหลของตัวนำประจุ ใน JFET แบบ n-channel วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นชนิด n ซึ่งมีการเจือปนด้วยสารเจือปน ใน JFET แบบ p-channel วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นชนิด p ที่มีสารเจือปนเป็นโฮล ขั้วแหล่งกำเนิด (Source) และขั้วระบาย (Drain) คือปลายทั้งสองของวัสดุซิลิคอน ในขณะที่ขั้วที่สามคือขั้วเกต การไหลของตัวนำประจุจะเกิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดไปยังระบาย แต่จะไม่สัมผัสกับช่อง ขั้วเกตถูกแยกออกจากกันด้วยชั้นฉนวนบางๆ เกตจะกระตุ้นวงจรทั้งหมดนี้ ซึ่งสามารถควบคุมการไหลของตัวนำประจุจากแหล่งกำเนิดไปยังระบายได้

หลักการทำงานของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบจังก์ชัน

ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กเชื่อมต่อ (Junction Field Effect Transistor : PN) ทำงานโดยอาศัยการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านช่องสัญญาณเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับเกต จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้น แต่เมื่อไม่จ่ายแรงดันไฟฟ้า ช่องสัญญาณนั้นจะกลายเป็นช่องเปิดสำหรับการไหลของตัวนำไฟฟ้า ในภาพ เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้า Vds เข้าไป_{จะ เกิด} การเชื่อมต่อแบบ PNสองจุดที่ด้านใดด้านหนึ่ง โดยมีชั้นพร่อง (depletion layer) ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากแหล่งกำเนิดไปยังทางออกเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเกตเป็นศูนย์ ความกว้างของชั้นพร่องเหล่านี้สามารถกำหนดการนำ กระแสไฟฟ้า ได้

เมื่อใดก็ตามที่แรงดันย้อนกลับ Vg _sถูกส่งผ่านเกต ความกว้างของชั้นพร่องจะเพิ่มขึ้นและทำให้ความต้านทานของช่องนำไฟฟ้าสูงขึ้น หากลด แรงดัน Vg _{s ความกว้างของชั้นจะลดลง การไหลของอิเล็กตรอนจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรนจะลดลงเมื่อชั้นพร่องเพิ่มขึ้น การไหลของ} อิเล็กตรอนจะลดลงเมื่อความกว้างลดลง อุปกรณ์ JFET สามารถควบคุมแรงดันในระหว่างกระบวนการนั้นได้ ดังนั้นในสภาวะไบแอสย้อนกลับ JFET จะอยู่ในบริเวณตัดกระแส และเมื่อแรงดันเกตเป็นลบ ความกว้างของช่องจะลดลงโดยไม่มีกระแสไหลผ่าน ซึ่งเรียกว่าบริเวณบีบปิด และแรงดันที่ทำให้เกิดบริเวณนี้เรียกว่าแรงดันบีบปิด

ประเภทของ JFET

JFET มีสองประเภท:

• เจเอฟทีช่องเอ็น
• เจเอฟทีแบบช่องพี

ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบจังก์ชัน N-Channel

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบจังก์ชันชนิด n-channel เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีขั้วต่อสามขั้ว ได้แก่ เกต ซอร์ส และเดรน ประกอบด้วย วัสดุ เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n-type แบบแท่งบาง ตัวนำประจุส่วนใหญ่ในชนิดn-type คืออิเล็กตรอน ซึ่งก่อให้เกิดช่องสัญญาณระหว่างซอร์สและเดรน เมื่อจ่ายแรงดันลบเข้าไปที่ขั้วเกต จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นในวัสดุฉนวนระหว่างเกตและช่องสัญญาณ

เมื่อใดก็ตามที่แรงดันลบที่เกตเพิ่มขึ้น สนามไฟฟ้าก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ทำให้ช่องแคบลงและลดกระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่างแหล่งกำเนิดและเดรน เพื่อควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนและนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตช์อิมพีแดนซ์ เป็นต้น จึงสามารถใช้แรงดันอินพุตสูงของ JFET ชนิด n-channel นี้ได้

ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบ P-Channel Junction

ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบ p-channel เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีขั้วต่อสามขั้ว ได้แก่ เกต ซอร์ส และเดรน ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดแท่งบางแบบ p-type โดยส่วนใหญ่แล้วตัวนำไฟฟ้าจะเป็นโฮลในวัสดุp-type ซึ่งจะสร้างช่องสัญญาณระหว่างซอร์สและเดรน

เมื่อ จ่าย แรงดัน บวก เข้าไปที่ขั้วเกต จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นในวัสดุฉนวนระหว่างเกตและแชนเนล เมื่อใดก็ตามที่แรงดันบวกที่เกตเพิ่มขึ้น สนามไฟฟ้าก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ทำให้แชนเนลแคบลงและกระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่างซอร์สและเดรนลดลง ในการใช้งานต่างๆ เช่น วงจรขยายสัญญาณ สวิตช์ และการประมวลผลสัญญาณ ความต้านทานอินพุตสูงของ JFET ชนิด p-channel นี้ สามารถนำมาใช้ควบคุมการไหลของโฮลได้

คุณลักษณะของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบจังก์ชัน (JFET)

• ความไวต่ออุณหภูมิ : JFET มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับคุณสมบัติของตนเองให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ ในบางแอปพลิเคชันอาจจำเป็นต้องมีการจัดการความร้อน ที่เหมาะสม
• สัญญาณรบกวนต่ำ : JFET ขึ้นชื่อเรื่องสัญญาณรบกวนต่ำ ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นเครื่องขยายเสียงและเซ็นเซอร์ ที่ความสมบูรณ์ของสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญ
• อิมพีแดนซ์อินพุตสูง : อิมพีแดนซ์อินพุตสูงของ JFET ยังคงค่อนข้างคงที่ในช่วงอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าต่างๆ ทำให้เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง
• รูปแบบต่างๆ : JFET ซึ่งช่วยให้การออกแบบวงจรมีความยืดหยุ่นและรองรับการใช้งานที่ต้องการทั้งการจ่ายและรับกระแส มีให้เลือกสองประเภทช่องสัญญาณ ได้แก่ช่องสัญญาณ N และช่องสัญญาณ P

ลักษณะสำคัญอื่นๆ ที่พบได้ทั่วไปมีดังต่อไปนี้:

• ลักษณะเอาต์พุต
• ลักษณะการถ่ายโอน

ลักษณะเอาต์พุตของ JFET

ลักษณะการทำงานของ JFET คือกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสเดรน (Id) และแรงดันเดรน-ซอร์ส (Vds) ลักษณะเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของกระแสเดรนเมื่อเทียบกับแรงดันที่จ่ายให้กับขั้วเดรน-ซอร์ส ในขณะที่รักษาแรงดันเกต-ซอร์สให้คงที่

โดยพื้นฐานแล้ว คุณลักษณะต่างๆ มีอยู่สองประเภท ได้แก่ คุณลักษณะด้านเอาต์พุต หรือคุณลักษณะด้านการระบาย และคุณลักษณะด้านการถ่ายโอน

คำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับลักษณะเอาต์พุตของ JFET:

• บริเวณอิ่มตัว:ในบริเวณนี้ JFET ทำงานที่ Vds ต่ำ และกระแสคงที่ กระแสถูกควบคุมโดยแรงดันระหว่างเกตกับแหล่งกำเนิด ( _Vgs )
• บริเวณโอห์มิก: JFET จะกลายเป็นบริเวณโอห์มิกเมื่อ VDS เพิ่มขึ้น กระแสเดรนจะเพิ่มขึ้นตาม Vds
• บริเวณที่ถูกบีบแคบ:การเพิ่มค่า VDS สามารถทำให้เกิดบริเวณที่ถูกบีบแคบได้ ในบริเวณนี้ ช่องสัญญาณจะแคบลง และกระแสเดรนจะไม่ขึ้นอยู่กับค่า VDS อีกต่อไป
• บริเวณที่เกิดการชำรุด:เมื่อแรงดันระหว่างขั้วเดรนและซอร์สสูงมาก ช่องสัญญาณของ JFET จะเกิดการชำรุดและกระแสไฟฟ้าจะไหลอย่างควบคุมไม่ได้

ลักษณะการถ่ายโอนของ JFET

ลักษณะการถ่ายโอนของ JFET แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสเดรน (Id) และแรงดันเดรน-ซอร์ส (Vds) สามารถหาได้โดยการคงค่า Vds ให้คงที่ และสังเกตกระแสเดรนได้โดยการเปลี่ยนแรงดันเกต-ซอร์ส ดังนั้นเราจะสังเกตได้ว่า เมื่อแรงดันเกต-ซอร์ส Vgs เพิ่มขึ้น กระแสเดรน Id จะลดลง เมื่อแรงดันเดรน-ซอร์สคงที่ จะสังเกตได้ว่าค่าของกระแสเดรนแปรผกผันกับแรงดันเกต-ซอร์ส เส้นโค้งลักษณะการถ่ายโอนของ JFET ข้างต้นอธิบายไว้ด้านล่าง จะเห็นได้ว่าค่าของกระแสเดรนแปรผกผันกับแรงดันเกต-ซอร์ส (Vgs) เมื่อแรงดันเดรน-ซอร์สคงที่

ข้อดีของทรานซิสเตอร์แบบ Junction Field Effect (JFET)

เทคโนโลยีสมัยใหม่พึ่งพาทรานซิสเตอร์เนื่องจากมีข้อดีมากมาย ดังที่ระบุไว้ด้านล่าง:

• ความเสถียร : มีเสถียรภาพที่ดีในสภาวะการใช้งานต่างๆ
• การใช้พลังงานต่ำ : ใช้พลังงานน้อยมาก ทำให้ประหยัดพลังงาน
• อิมพีแดนซ์สูง : JFET มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูง ซึ่งอิมพีแดนซ์อินพุตสูงเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรขยายสัญญาณ
• ความเรียบง่าย: JFET นั้นใช้งานค่อนข้างง่ายและไม่จำเป็นต้องใช้การจัดเรียงไบแอสที่ซับซ้อนซึ่งมักพบในทรานซิสเตอร์ ชนิด อื่น
• ไม่มีกระแสไหลผ่านเกต: JFET ไม่มีกระแสไหลผ่านเกต ซึ่งช่วยให้การออกแบบวงจรทำได้ง่ายขึ้นในแอปพลิเคชันที่ต้องหลีกเลี่ยงการไหลของกระแสไฟฟ้า

ข้อเสียของทรานซิสเตอร์แบบ Junction Field Effect (JFET)

แม้ว่าทรานซิสเตอร์จะถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย แต่ก็ยังมีข้อเสียอยู่บ้าง ซึ่งระบุไว้ด้านล่างนี้:

• อุปกรณ์แบบขั้วเดียว: JFET เป็นอุปกรณ์แบบขั้วเดียว เนื่องจากกระแสไฟฟ้าสามารถควบคุมได้โดยการเคลื่อนที่ของตัวนำประจุ เพียงประเภทเดียว (อิเล็กตรอนหรือโฮล)
• กระแสรั่วไหลระหว่างเกตและซอร์ส: JFET สามารถแสดงกระแสรั่วไหลระหว่างเกตและซอร์สได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นในแอปพลิเคชันที่มีกระแสรั่วไหลต่ำมาก
• มีจำนวนจำกัด:การหา JFET ที่มีคุณสมบัติเฉพาะเจาะจงอาจเป็นเรื่องยาก เนื่องจากมีจำหน่ายน้อย
• อัตราขยายต่ำ : ทรานซิสเตอร์ชนิดนี้มีอัตราขยายต่ำเมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ชนิดอื่น และไม่สามารถนำไปใช้ในงานที่ต้องการอัตราขยายสูงได้
• ราคา : มีราคาสูง ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อต้นทุนโดยรวมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การประยุกต์ใช้งานทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบจังก์ชัน

• วงจรขยายสัญญาณรบกวนต่ำ: JFET เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเป็น วงจรขยายสัญญาณรบกวนต่ำในงานประมวลผลสัญญาณความถี่สูงและวงจรเสียง
• พรีแอมพลิฟายเออร์ความต้านทานสูง: JFET ถูกนำมาใช้ในพรีแอมพลิฟายเออร์สำหรับ เซ็นเซอร์ความต้านทานสูงเช่นแอคเซลเลอโรมิเตอร์ แบบเพียโซอิเล็กทริกและ ไมโครโฟนบาง ประเภท เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ
• วงจร switching: JFET สามารถใช้เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ในงานที่ใช้พลังงานต่ำและความถี่สูง ซึ่งต้องการการสลับสัญญาณอย่างรวดเร็ว เช่น ในวงจร switching RF
• วงจร Sample and Hold:ในวงจร Sample and Hold นั้น JFET สามารถสุ่มตัวอย่างสัญญาณอินพุตและเก็บค่าไว้จนกว่าจะถึงช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างครั้งถัดไป
• วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า: JFET ยังสามารถใช้ในวงจรควบคุม แรงดันไฟฟ้า เพื่อรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าขาออกให้คงที่ได้ อีกด้วย
• ออสซิลเลเตอร์ : JFET มีความสำคัญในการสร้างออสซิลเลเตอร์ที่สร้างรูปคลื่นซ้ำๆ นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมความถี่เพื่อสร้างรูปคลื่นที่เสถียรได้อีกด้วย

บทสรุป

โดยสรุปแล้ว JFET มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมกระแสและแรงดันของวงจรไฟฟ้า ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย JFET มีชื่อเสียงในด้านความเรียบง่ายและถูกนำไปใช้ในงานที่มีความต้านทานสูงเพื่อวัตถุประสงค์และการทำงานต่างๆ ปัจจัยต่างๆ เช่น แรงดัน กระแส ความถี่ และความต้านทาน จำเป็นต้องนำมาพิจารณาเมื่อเลือกชนิดของทรานซิสเตอร์ วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์และผู้ที่สนใจควรเข้าใจลักษณะและวิธีการใช้งานของทรานซิสเตอร์ชนิดต่างๆ เพื่อให้เกิดนวัตกรรมและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี