نتابع معكم سلسلة الترانزستورات، لنتحدث في هذا المقال عن نوع جديد من الترانزستورات الذي يعمل بطريقة مختلفة عن آلية عمل ترانزستورات BJT التي تعرفنا عليها في مقالات سابقة.

تعرف هذه الترانزستورات باسم ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي Field Effect Transistors FET، وهي تعتبر من أكثر العناصر الالكترونية المستخدمة حالياً نظراً لميزاتها وخواصها الممتازة التي تحقق القدر الأكبر من المتطلبات اللازمة لتصميم الدارات الالكترونية..

تقسم ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي إلى نوعين رئيسيين:

ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي ذو الوصلة Junction Field-Effect Transistor (JFET)

ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي ذو البوابة المعزولة Insulated Gate Field-Effect Transistor (IGFET) وهو معروف باسم ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي نوع معدن – أوكسيد نصف ناقل Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET

سنتناول في مقال اليوم الحديث لمحة عن ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي FET والنوع الأول JFET،

متابعة مفيدة وممتعة..

ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي Field-Effect Transistors FET:

تسمى هذه الترانزستورات اختصاراً بالترانزستورات الحقلية FET وهي عناصر الكترونية ذات ثلاثة أرجل مصنوعة من أنصاف نواقل تستخدم في الدارات الالكترونية كمفاتيح متحكم بها أو كمضخمات أو كمقاومات يتحكم بها من خلال الجهد المُطَبّق عليها.

تسمى أرجل هذه الترانزستورات بـ :

G : البوابة Gate

S : المنبع Source

D : المصرف Drain

تُصنع هذه الترانزستورات بأحجام صغيرة مقارنة بترانزستورات BJT إضافة لاستهلاك أقل للطاقة وكمية طاقة ضائعة منخفضة.

تُصنف الترانزستورات الحقلية بطريقتين:

حسب نوع القناة المُتَشكلة بين المنبع والمصرف:

الترانزستورات الحقلية ذات القناة N N-Channel FET

الترانزستورات الحقلية ذات القناة P P-Channel FET

حيث يتم حمل الشحنة الكهربائية بواسطة نوع واحد من الشحنات (الموجبة أو السالبة) في الترانزستور، وبالتالي تعرف هذه الترانزستورات بالترانزستورات وحيدة القطبية Unipolar Transistors تمييزاً لها عن الترانزستورات ثنائية القطبية Bipolar Junction Transistors BJT التي سبق وتعرفنا عليها.

الشكل 1: عائلة ترانزستورات FET حسب نوع القناة

رابط الصورة المنشأة:


Image: Syrian Researchers

حسب الاستخدام العملي من الترانزستور:

الترانزستورات الحقلية عالية التردد HF FET

ترانزستورات حقلية مضاعفة DUAL FET

الترانزستورات المستخدمة كمفاتيح متحكم بها بواسطة الجهد.

تمتاز الترانزستورات الحقلية بما يلي:

لا تستهلك تياراً من طرف الدخل.

مقاومة دخل عالية جداً.

عناصر ذات خطية جيدة.

سهلة التصنيع.

حجمها أصغر وتكلفتها أقل "لأنها تحتاج كمية أقل من السيلكون".

لكن أبرز مساوئ الترانزستورات الحقلية هو انخفاض قيمة ناقليتها التبادلية (وهي مقلوب المقاومة الداخلية للترانزستور ويرمز لها بالرمز gm وتتغير بتغير تيار المصرف ودرجة الحرارة) وبالتالي ربح الجهد منخفض، لذلك نادراً ما تستخدم في دارات التضخيم البسيطة.

ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي ذو الوصلة JFET:

حيث يعتمد مبدأ عمل JFET على تشكيل قطعة ضيقة من مادة نصف ناقلة (سيليكون) ذات إشابة منخفضة (مقاومة نوعية عالية) تشكل قناة من النمط N أو النمط P تتدفق عبرها حاملات الشحنة الأساسية majority carriers بين تلامسين أوميين (التلامس الأومي عبارة عن مقاومة أومية تسمى بالتلامس الغير مقوم).

يقسم هذا النوع من الترانزستورات إلى نوعين: N-channel JFET و P-channel JFET وذلك بحسب الشوائب الموجودة في القناة، حيث تتم إشابة القناة في ترانزستورات JFET ذات القناة من النمط N بشوائب مانحة أي قناة ذات الكترونات وفيرة، في حين تتم إشابة القناة في ترانزستورات JFET ذات القناة من النمط P باستخدام شوائب قابلة (آخذة) أي ذات ثقوب وفيرة.

الشكل 2: رمز ترانزستور JFET واصطلاحات التيارات والجهود المستخدمة


Image: electronics-tutorials.ws

ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي ذو الوصلة – القناة نوع  N-Channel JFET:

تصنع مادة القناة في ترانزستورات JFET ذات القناة نوع N من مادة السيليكون ضعيفة الإشابة، في حين تصنع المنطقتان اللتان تشكلان البوابة G (والمتصلتان كهربائياً مع بعضهما بشكل دائم) من مادة عالية الإشابة نوع P.

يتم التحكم بعمل هذه الترانزستورات من خلال الجهد المُطَبّق بين البوابة والمنبع، فعندما لا يكون هناك فرق جهد بين البوابة G والمنبع S تكون في الحالة الطبيعية في وضعON ، أما اذا كان هناك فرق جهد بين المنبع والقاعدة فإن مقاومة الترانزستور لمرور التيار بين المصرف والمنبع سوف تزداد.

يؤدي تطبيق جهد سالب بين البوابة والمنبع في الترانزستورات الحقلية ذات القناة N إلى انخفاض مرور التيار بين المنبع والمصرف لأن هذه الترانزستورات تكون في وضعية العمل عندما يكون "V_G>V_S" والعكس تماماً بالنسبة لترانزستورات ذات القناة P حيث يؤدي تطبيق جهد موجب بين القاعدة والمنبع إلى انخفاض مرور التيار بين المنبع والمصرف حيث تعمل هذه الترانزستورات عندما يكون V_Gالشكل 3: الانحياز الكهربائي للقناة في ترانزستور JFET قناته من النوع N


Image: electronics-tutorials.ws

اختناق القناة:

عندما لا نطبق أي جهد على البوابة G فإن التيار بين المنبع والمصرف سوف يمر بسهولة عبر القناة N حيث تساعد الالكترونات الحرة الموجودة أساساً في المنطقة N في عملية مرور التيار، ولكن عند تطبيق جهد سالب على البوابة G، فإن المنطقة P سوف تمتد من الأعلى والأسفل وبالتالي تضيق المنطقة الوسطى من القناة N التي يمر فيها التيار وبالتالي يصبح مرور التيار أكثر صعوبة عبرها، وعند قيمة معينة للجهد السالب المُطَبّق على البوابة ستختفي القناة، وهنا نقول بأنها قد أُغلقت أو اختنقت بشكل كامل Pinched off، وتصبح المقاومة بين المنبع والمصرف لا نهائية ونسمي قيمة الجهد VGS التي يحدث عندها إغلاق القناة كاملة بجهد الاختناق VP .

الشكل 4: إغلاق القناة وحصول حالة الاختناق Pinch off


Image: electronics-tutorials.ws

أما في الترانزستور الحقلي من النمط p فيعكس الجهد المُطَبّق على القاعدة (أي يكون الجهد المُطَبّق على البوابة موجباً) وتعكس مناطق القناة أيضاً.

يتبع ..

سنكمل في المقال القادم حديثنا عن ترانزستورات JFET لنشرح بعضاً من خواصها وطرق توصيلها في الدارات الالكترونية

المراجع:

هنا

Solayman، Prof. Nadim. الهندسة الالكترونية 1. Hims : جامعة البعث، 2004، 6.

مراجع الصور :

هنا

هنا

هنا