الترانزستورات الحقلية ذات المتصل

الترانزستورات الحقلية ذات المتصل

الترانزستورات الحقلية ذات المتصل والتي تسمي اختصارا باسم الترانزستورات الحقلية هي عناصر ذات ثلاثة أطراف (أرجل ) مصنوعة من أنصاف النواقل وتستخدم كمفاتيح متحكم بها كهربائيا (electrically controlled switches) , أو كمضخمات (amplifiers) أو كمقاومات متحكم بها جهديا (Voltage Controlled Resistors, والترانزستورات الحقلية بعكس الترانزستورات ثنائية القطبية هي عناصر يتم التحكم بها جهديا (يقتصر التحكم بها علي الجهد ) ولا تتطلب تيارات استقطاب في طرف الدخل . لترانزستورات JFET ميزة خاصة بها وهي أنها تكون في الحالة الطبيعية في وضع (on) عندما لا يكون هناك فرق جهد بين بوابتها ومنبعها (البوابة G والمنبع S والمصرف D هي أسماء أرجل الترانزستور الحقلي ) .

أما إذا كان هناك فرق جهد بين (G) و (S) فإن الترانزستور الحقلي يصبح مقاوما أكثر لمرور التيار عبر المصرف والمنبع , ولهذا السبب تسمي ترانزستورات (JFETs) بترانزستورات استنفاذ ( أو نضوب depletion بعكس الترانزستورات ثنائية القطبية التي هي في الواقع ترانزستورات تعزيز (يزداد التيار المار بين المجمع والباعث بزيادة جهد القاعدة وبالتالي بزيادة تيار القاعدة ) . تتوفر ترانزستورات JFETs بأنواع ذات قنال (n-channel) (n) وأخري ذات قنال p-channel (p) . في ترانزستورات القنال (n) ينخفض التيار المار بين المصرف (D) والمنبع بتطبيق جهد سالب علي البوابة , لأن هذه الترانزستورات تعمل عندما يكون (VG > VS) , أما في الترانزستورات ذات القنال (P) فإن تطبيق جهد موجب علي البوابة (G) يؤدي إلي تخفيض التيار المار بين المنبع (D) والمصرف (S) وتعمل هذه الترانزستورات عندما يكون (VG < VS) . يبين الشكل رموز وتسميات أرجل الترانزستورات الحقلية .

الميزة الهامة للترانزستورات الحقلية والمفيدة في التطبيقات هي مقاومة دخلها العالية جدا ( والقيمة التقريبية لمقاومة الدخل حوالي 10¹⁰Ώ. ومقاومة الدخل العالية هذه تعني أن الترانزستورات الحقلية لا تستهلك تيارات من مصدر الإشارة المطبقة علي الدخل ( وفي الواقع تستهلك تيارات صغيرة جدا جدا ومن مرتبة الــــ (pA) , وبالتالي ليس لهذه الترانزستورات أي تأثير علي المصادر التي توصل مع دخلها . إن عدم استهلاك تيار من مصدر التحكم الموصول إلي دخل الترانزستور الحقلي وعدم مرور تيار غير مرغوب عبر بوابة الترانزستور الحقلي يعتبر أمرا هاما جدا وله ايجابية كبيرة . إن إمكانيات الترانزستورات الحقلية علي التحكم بمرور التيار مع المحافظة علي ممانعة دخل عالية جدا يجعل من هذه الترانزستورات عناصر مفيدة لبناء مفاتيح تشابهية ثنائية الاتجاه , وكذلك في تصميم مضخمات بمانعات دخل عالية جدا أو في تشكيل منابع تيار أو دارات اهتزاز (oscillators) , ومفاتيح منطقية يتم التحكم بها عن طريق البوابة , هذا بالإضافة إلي إمكانية استخدامها في دارات المزج الصوتي (audio mixing circuits) .

الشكل : رموز الترانزستورات الحقلية JFETs

كيف يعمل الترانزستور الحقلي

يتكون الترانزستور الحقلي ذو القنال (n) من منطقة سيلكونية نوع (n) فيها منطقتان نوع (p) علي شكل نتوءات كما في الشكل علي جانبي المنطقة (n) . توصل رجل البوابة إلي المناطق (p) التي توصل مع بعضها , أما أرجل المصرف drain (D) والمنبع source (S) فتوصل إلي النهايات (الأطراف) المتقابلة للمادة (n) . في حال عدم تطبيق جهد علي طرف البوابة (G) في ترانزستور FET قناله (n) , فإن التيار يمر بحرية عبر القنال المركزية (n) و لا توجد أيه مشكلة بالنسبة للإلكترونات عندما تتحرك عبر القنال (n) وفي الأصل توجد إلكترونات حرة كثيرة في القتال نوع (n) وتساعد هذه الإلكترونات كثيرا في عملية نقل التيار . ولكن إذا طبق جهد سالب علي البوابة (سالب بالنسبة للمنبع) فإن المنطقة المتوسطة من القنال والتي تقابل المناطق p سوف تضيق بسبب تشكل مناطق مجردة من الأعلي والأسفل (تشكل منطقة مجردة علي طرفي متصل pn عند تطبيق جهد عكسي عليه ) وتمتد هذه المناطق المجردة عبر القنال وتضيق القنال ويصبح مرور التيار أكثر صعوبة (يؤدي تشكل المناطق المجردة إلي تضيق القنال وبالتالي زيادة مقاومتها فينخفض التيار المار عبرها ) . في الترانزستور الحقلي ذي القنال (p) يعكس كل شئ , أي يستبدل الجهد السالب بجهد موجب وتستبدل القنال (n) بقنال (p) والمناطق (p) بمناطق (n) وطبعا تكون حوامل الشحنة في القنال هي الثقوب بدل الإلترونات .

الشكل : بنية ترانزستور حقلي قنال (n) وجهود استقطابه

التشابه بين ترانزستور حقلي ونموذج مائي

نبين فيما يلي التشابهات بين الترانزستورات الحقلية قنال (n) وقنال (p) وبين نماذج مائية وفي هذه التشابهات نعتبر أن تدفق الماء في النموذج المائي يقابل التيار في الترانزستورات وأن ضغط الماء يقابل الجهد الكهربي .

التشابه بين ترانزستور FET بقتال n ونموذج مائي

عندما لا يكون هناك أي ضغط بين البوابة والمنبع في النموذج المائي لترانزستور JFET قنال (n) يكون الترانزستور في حالة (on) بشكل كامل ويمر الماء من أنبوب المصرف (D) إلي أنبوب المنبع (S) . من أجل محاكاة ممانعة الدخل العالية في الترانزستور الحقلي زود النموذج المائي بألية دفع موصولة مع بوابة متحركة , وهذه البوابة تمنع التيار من الدخول إلي قنال المصرف –المنبع وتسمح بنفس الوقت للضغط بالتحكم بالبوابة التي يتدفق عبرها التيار . عندما تصبح بوابة الترانزستور الحقلي n-JFET أكثر سلبية فإن الضاغط (الدافع ) يتحرك الي اليسار في النموذج المائي وبذلك تسحب بوابة التدفق المتشابهة للأوكورديون عبر قتال قنال المنبع – المصرف وينخفض مرور التيار .

الشكل : نماذج مائية مشابهة بعملها لترانزستورات JFETs .

التشابه بين ترانزستور حقلي FET بقتال p ونموذج مائي

النموذج المائي لترانزستور حقلي FET بقنال (p) يشبه مثيله في الترانزستور السابق ما عدا أن كافة التيارات والضغوط بعكس الاتجاه . يكون الترانزستور الحقلي p-channel FET (ترانزستور بقتال p) في حالة (on) تمرير كلي حتي يطبق الشكل المائي المكافئ تتحرك البوابة التي تتحكم بتدفق الماء عبر أنابيب المصرف والمنبع إلي اليمين وتضيق القنال وينخفض تدفق الماء . في الترانزستور ينخفض التيار بزيادة جهد البوابة إيجابية .

تابع الشكل : نماذج مائية مشابهة بعملها لترانزستورات JFETs .