5. TRANSISTORI ME EFEKT TË FUSHËS FET

Transcript

1 16 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA 5. TRANSISTORI ME EFEKT TË FUSHËS FET 5.0 HYRJE Transistori me efektet të fushës ose FET transistori (nga anglishtja Field-Effect Transistor) është lloji i dytë i transistorëve të rëndësishëm, me të cilët do të njihemi në këtë kapitull. Ekzistojnë dy lloje të përgjithshme të FET-ëve: MOSFET (nga anglishtja Metal-Oxide- Semiconductor FET) dhe JFET (Junction FET). MOSFET i i ka parapri revolucionit të dytë në elektronikë në vitet 1970-a dhe 1980-a, kur me zhvillimin e mikroprocesorit është mundësuar zhvillimi i kompjuterëve personal të fuqishëm dhe të sofistifikuar. MOSFET i mund të prodhohet me dimensione shumë të vogla, ashtu që mund të realizohen qarqe të integruara me dendësi shumë të lartë (VLSI). Kapitulli do të fillojë me analizën e strukturës fizike dhe veprimit të MOSFET it. Pastaj do të nxjerrën karakteristikat rrymë-tension të qarkut dhe pastaj do të trajtohet dc analiza e qarqeve me MOSFET. 5.1 STRUKTURA E MOSFET-it Në Fig. 5.1(a) është paraqitur prerja tërthore e thjeshtuar e një MOSFET-i. Te ky transistor kemi tri regjione: atë të gate-it (portës), të source-i (burimit) dhe të drain-it (rrjedhës), të cilat formojnë tri terminalet dalëse të transistorit të quajtura sipas këtyre regjioneve. Rryma te MOSFET i është rezultat i rrjedhës së ngarkesave në regjionin e kanalit. Gjatësia e kanalit L dhe gjerësia W janë të janë të rendit 1 m, që tregon për dimensionet e transistorit. Trashësia e shtresës së oksidit, t ox, është zakonisht e rendit 400 angstrem ose më e vogël. Në Fig. 5.1(b) është paraqitur prerja më e detalizuar e MOSFET it të fabrikuar brenda konfiguracionit të qarkut të integruar. Edhe pse struktura aktuale e një MOSFET i mund të jetë dukshëm më e komplikuar, kjo paraqitje e thjeshtuar mund të shfrytëzohet për nxjerrjen e karakteristikave themelore të transistorit.

2 5. Transistorët me efekt të fushës 163 S Metali G Regjioni i source--it Supstrati i tipit p (trupi) Regjioni i kanalit B Regjioni i drain-it (a) Oksidi (SiO ) Source (S) Gate (G) Oksidi (SiO ) (trashësia = t ox ) Regjioni i kanalit Supstrati i tipit p (trupi) B (b) Metali rain () Fig. 5.1(a) Prerja e MOSFET it n-kanalesh; (b) MOSFET ti n-kanalesh ku shihet trashësia e mbushjes së e gate-it me oksid Nëse tensioni i polarizimit të gejtit është zero, terminalet e sursit dhe drejnit janë të ndara me regjionin p të substratit siç është paraqitur në Fig. 5. (a). Kjo situatë është ekuivalente me dy dioda të lidhura në opozitë, Fig. 5. (b). Rryma në këtë rast është zero. Oksidi Regjioni i varfëruar Regjioni i varfëruar Supstrati ii tipit p tipit S (a) (b) Fig. 5. (a) Prerja e MOSFET it n-kanalesh pa polarizim, para formimit të shtresës inverse të elektroneve; (b) ekuivalenti me dy dioda në opozitë në mes të sursit dhe drejnit Nëse në gejt zbatohet një tension pozitiv, atëherë vrimat e lira nën gejt (regjioni i kanalit) do të shtyhen poshtë në supstrat, duke krijuar në fillim një regjion të varfëruar të bartësve. Tensioni pozitiv në gejt tërheq elektronet prej regjioneve n + të sursit dhe drejnit dhe në shtresën në mes të gjysmëpërçuesit dhe oksidit formohet një shtresë inverse e elektroneve e cila lidhë sursin e tipit n dhe drejnin e tipit n siç është paraqitur në Fig. 5.3(b).

3 164 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Vlera minimale e tensionit V GS e cila akumulon një numër të mjaftueshëm të elektroneve mobile në regjionin e kanalit duke formuar kështu kanal përçues quhet tension i pragut dhe shënohet V TN Pas formimit të kësaj shtrese në mes të këtyre terminaleve mund të gjenerohet rryma. Pasi që bartësit në shtresën inverse janë elektronet, kjo komponentë quhet MOSFET i n-kanalesh. Kur zbatohet një tension drejn-surs, ngarkesat nga terminali i sursit rrjedhin përmes kanalit deri në drejn, që do të thotë se rryma hynë ne drejn dhe buron nga sursi. Madhësia e rrymës është funksion i sasisë së ngarkesave në shtresën inverse të kanalit, e në anën tjetër, kjo varet nga tensioni i zbatuar në gejt. Pasi që terminali i gejtit është i ndarë nga kanali me një izolator të oksidit, nuk ka rrjedhje të rrymës së gejtit. Ngjashëm, pasi që kanali dhe substrati janë të ndarë me regjionin e ngarkesave hapësinore, nuk ka as rrjedhje të rrymës nëpër substrat. <V TN i =0 (i vogël) Supstrati i tipit p (trupi) Kanali i indukuar n Supstrati i tipit p (a) Fig. 5.3 (a) Prerja e MOSFET it n-kanalesh me polarizim të vogël të gejtit, para formimit të shtresës inverse të elektroneve; (b) pas formimit të shtresës inverse të elektroneve. Nëse tensioni i zbatuar në terminalin e gejtit është më i vogël se një tension i quajtur tensioni i pragut V TN, nuk ka rrymë të drejnit Fig. 5.3(a). Me rritjen e V GS >V TN rritet edhe numri i elektroneve të lira në kanal, e në mënyrë proporcionale rritet edhe vlera e rrymës nëpër kanal e me ketë edhe rritet përçueshmëria e kanalit, ndërsa rezistenca e kanalit zvogëlohet. Përçueshmëria e kanalit është në proporcion të drejtë me V GS -V TN dhe ky tension është i njohur si tension efektiv. Nëse vlerat e këtij tensioni janë të vogla, karakteristikat e transistorit janë lineare siç është paraqitur në Fig (b)

4 5. Transistorët me efekt të fushës 165 Fig. 5.4 Karakteristikat e MOSFET it për vlera të vogla të tensionit v S. Në Fig. 5.5(a) është paraqitur situata kur v S rritet. Me rritjen e tensionit, rënia e tensionit ndërmjet gejtit dhe pikave përgjatë kanalit zvogëlohet nga në skajin e sursit në ( - v S ) në afërsi të terminalit të drejnit. Kjo do të thotë se edhe dendësia e ngarkesave inverse afër drejnit gjithashtu zvogëlohet. Kjo rritje e v S shkakton zvogëlimin e përçueshmërisë së kanalit te drejni dhe zvogëlimin e pjerrtësisë së lakores së rrymës siç është paraqitur në Fig. 5.5(c). Pasi shtresa inverze varet nga diferenca e tensionit përgjatë strukturës së MOSFET-it, atëherë rritja e v S do të rezulton në kanal në formë pyke (Fig. 5.6). Nëse v S rritet deri në pikën ku diferenca e potencialit në oksid te drejni bëhet V TN, dendësia e ngarkesave të induktuara te drejni bëhet zero (Fig. 5.5(b)). Për këtë kusht, pjerrtësia e lakores së rrymës është zero. Mund të shkruhet ose vgs vs VTN v ( sat) v V S GS TN ku v S (sat) është tensioni drejn-surs që shkakton dendësi zero të ngarkesave në terminalin e drejnit. Kur tensioni drejn-surs bëhet më i madh se tensioni i ngopjes, pika ku kanali ngushtohet në tërësi lëviz kah terminali i sursit. Në këtë rast elektronet hyjnë në kanal nga sursi, udhëtojnë nëpër kanal kah drejni, dhe pastaj në pikën ku kanali bëhet zero, injektohet në regjionin e ngarkesave hapësinore, prej nga i tërheq fusha elektrike e kontaktit të drejnit. Të MOSFET i ideal rryma e drejnit është konstante në regjionin e ngopjes, siç quhet ku regjion i punës.

5 166 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA v S > v S (sat) n-kanali Supstrati i tipit p n-kanali Supstrati i tipit p (a) (b) Trioda Ngopja Karakteristika lakohet sepse reziztenca e kanalit rritet v S. Rryma shkon në ngopje sepse kanali puthitet me shtreën e oksidit në skaj të drejnit, dhe v S më nuk ndikon në kanal. Karakteristika e drejtë me pjerrtësi proporcionale me ( - V T ) (c) Fig. 5.5 (a) Veprimi i MOSFET it me rritjen e tensionit v S ; (b) për vlera të tensionit v S >v S (sat) dhe (c) rryma e drejnit në funksion të tensionit v S Fig. 5.6 Forma e kanalit në vartësi nga - v S

6 5. Transistorët me efekt të fushës 167 Nëse ndryshohet tensioni i zbatuar gejt-surs, lakorja e rrymë i ndryshon në funksion të v S. Prandaj mund të gjenerohet familja e lakoreve të karakteristikave dalëse të MOSFET it siç është paraqitur në Fig Regjioni i triodës Regjioni i ngopjes (prerjes) Fig. 5.7 Familja e lakoreve të rrymës së drejnit te MOSFET i n-kanalesh Përveç MOSFET të tipit n-kanalesh ekziston edhe MOSFET i tipit p- kanalesh, te i cili substrati dhe terminalet e sursit dhe të drejnit janë të kundërta me atë n-kanalesh. Prandaj edhe tensionet e polarizimit dhe kahet e rrymave janë të kundërta te ky tip i MOSFET it. Në Fig. 5.8 janë dhënë simbolet e këtyre dy tipave të MOSFET ëve. (a) (b) Fig. 5.8 Simbolet e MOSFET it konvencional dhe kur është baza është e lidhur me sursin: (a) MOSFET i n-kanalesh dhe (b) MOSFET i p-kanalesh

7 168 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Në shumë zbatime, por edhe në programet simuluese, për MOSFET n kanalesh dhe p kanalesh përdoren edhe simbolet si në Fig (a) (b) Fig. 5.9 Simboli (a) MOSFET i n-kanalesh dhe (b) MOSFET i p-kanalesh Shembulli 5.1 Në Fig 5.10 janë treguar potencialet e elektrodave të NMOS-it për tri raste. Tregoni në cilin (regjion) mod të punës është secili transitor? Është e njohur tensioni i pragut V TN = 0.4 V. Zgjidhje (a) (b) (c) Fig (a) Nga figura (a) shihet që: V 1.9 V, V.5V, GS Gjejmë diferencën: V GS - V TN = 1.5 V S Kushti i ngopjes është: VS VGS VTN i cili plotësohet. Transistori është në modin e ngopjes. (b) Nga figura (b) shihet që: V. (.3) 4.5V GS G S

8 5. Transistorët me efekt të fushës 169 V 0.5 (.3).8V S S Kushti i ngopjes është: S GS TN transistori nuk është në modin e ngopjes. (c) Nga figura (c) shihet që: V V V V V çka nuk është e vërtetë. Prandaj, 0.9 (.5) 3.4V GS G S 0.5 (.5) 3V S S Kushti i ngopjes është: S GS TN kufij të ngopjes dhe jo-ngopjes. V V V çka vërehet se transistori është në 5. ANALIZA C E QARQEVE ME MOSFET Si edhe te transistorët bipolar, polarizimi i MOSFET ëve është pjesë e rëndësishme e projektimit të amplifikatorëve. Në qarqet e paraqitura në këtë kapitull janë shfrytëzuar rezistencat të lidhura me transistorët MOSFET. Në qarqet reale të integruara me MOSFET, rezistencat në përgjithësi janë të zëvendësuara me MOSFET a tjerë, ashtu që qarku në tërësi është i kompozuar me komponentë MOSFET Qarku me surs të përbashkët Konfiguracioni me surs të përbashkët është ndër konfiguracionet themelore të qarqeve me MOSFET a. Në Fig. 5.11(a) është paraqitur një shembull i këtij tipi të qarkut me MOSFET të tipit n-kanalesh. Terminali i sursit është i përtokësuar dhe është i përbashkët për pjesën hyrëse dhe dalëse të qarkut. Kapaciteti i kuplimit C C vepron si qark i hapur për sinjale dc, ndërsa lidh shkurtë tensionet ac në gejt të MOSFET it. Qarku ekuivalent dc është paraqitur në Fig. 5.11(b). Pasi që rryma e gejtit është zero, tensioni në gejt është dhënë me ndarësin potencial, i cili mund të shkruhet si R V V V G GS R1 R

9 170 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Fig (a) Qarku me N-MOSFET në konfiguracion me surs të përbashkët; (b) skema ekuivalente për sinjale dc uke përvetësuar se tensioni V GS është më i madh se tensioni i pragut V TN, dhe transistori është i polarizuar në regjionin e ngopjes, rryma e drejnit është I K V V n( GS TN ), ku 1 W ' Kn kn L, prej nga 1 ' W I kn ( VGS VTN ). L Ekuacioni i fundit tregon që rryma në drejn nuk varet nga tensioni drejn surs që është në pajtim me Fig. 5.7 në kushte të ngopjes. Tensioni drejn-surs është VS V IR Nëse V S > V S (sat) = V GS - V TN, atëherë transistori është i polarizuar në regjionin e ngopjes, ashtu siç supozuam në fillim, dhe analiza është korrekte. Në Fig. 5.1 është paraqitur qarku në konfiguracion me surs të përbashkët me MOSFET p- kanalesh. Terminali i sursit është i lidhur në +V, dhe ky terminal lidhet në masë në qarkun ekuivalent ac, prandaj është qark në konfiguracion me surs të përbashkët.

10 5. Transistorët me efekt të fushës 171 Fig. 5.1 Qarku me P-MOSFET në konfiguracion me surs të përbashkët. Analiza dc është e njëjtë si për qarkun me MOSFET n-kanalesh. Tensioni i gejtit është R VG V R1 R dhe tensioni surs-gejt është VSG V VG Nëse supozojmë se V GS < V TP, ose V GS > ngopjes, rryma e drejnit është e dhënë me V TP, dhe se transistori është i polarizuar në regjionin e I K ( V V ) p SG TP dhe tensioni surs-drejn është V V I R S Nëse V S > V S (sat) = V SG + V TP, atëherë transistori është i polarizuar në regjionin e ngopjes, ashtu si supozuam. Ndërkaq, nëse V S < V S (sat), transistori është i polarizuar në regjionin e jo ngopjes.

11 17 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Shembulli 5. Në Fig 5.13 janë treguar potencialet e elektrodave të PMOS-it për tri raste. Tregoni në cilin (regjion) mod të punës është secili transitor? Është e njohur tensioni i pragut V TP = V. Zgjidhje (a) (b) (c) Fig (a) V.5 0.5V ndërsa V SG S G.5 0.5V S S Gjejmë shumën algjebrike: V SG + V TP = =.1V Kushti i ngopjes është: S SG TP prandaj transistori punon në modin e ngopjes. V V V.5V.1V dhe ky kusht është i plotësuar, (b) V V, duke pas parasysh që tensioni në mes gejtit dhe sursit SG S G nuk mjafton për të induktuar kanalin, atëherë transistori punon në modin e ndërprerjes. (c) V 1.1 (.5) 1.4V V SG S G V S S Gjejmë shumën algjebrike: V SG + V TP = = 1V Shihet që kushti i ngopjes nuk plotësohet edhe pse kanali induktohet, prandaj PMOS punon në modin e jo ngopjes. 5.. rejtëza e punës dhe modet e punës rejtëza e punës paraqet ndihmë të madhe në vizuelizimin e regjionit në të cilin është i polarizuar MOSFET i. Ta shqyrtojmë qarkun me surs të përbashkët të paraqitur në Fig Nëse shkruajmë ekuacionin e ligjit të dytë të Kirchhoff-it për konturën drejn-surs, i cili paraqet

12 5. Transistorët me efekt të fushës 173 ekuacionin e drejtëzës së punës, shohim se ka varshmëri lineare në mes të rrymës së drejnit dhe tensionit drejn-surs. Fig Qarku me surs të përbashkët Në Fig janë dhënë karakteristikat për transistorin në qarkun nga Fig rejtëza e punës është dhënë me VS V IR 5 I (0) ose I V VS 5 VS R R 0 0 (ma) dhe kjo drejtëz gjithashtu është vizatuar në figurë. y pikat fundore të drejtëzës së punës janë caktuar si zakonisht: nëse I 0, atëherë VS 5 V; nëse VS 0, atëherë I 5/ ma.

13 174 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Regjioni i jongopjes Pika e zhvendosjes Regjioni i ngopjes Pika-Q Prerja Fig Karakteristikat e transistorit, lakoret v S (sat), drejtëza e punës dhe pika Q për qarkun në Fig. 5.1 Pika Q e transistorit është e dhënë me rrymën njëkahore të drejnit dhe tensionin drejn-surs, dhe gjithmonë gjendet në drejtëzën e punës, siç është paraqitur në figurë. Nëse tensioni gejt-surs është më i vogël se V TN, rryma e drejnit është zero dhe transistori është i shkyçur (prerja). Me rritjen e tensionit gejt-surs vetëm pak mbi vlerën V TN, transistori kyçet dhe është i polarizuar në regjionin e ngopjes. Me rritjen e mëtutjeshme të V GS, pika Q lëvizë përpjetë në drejtëzën e punës. Pika e zhvendosjes është kufiri në mes të regjionit të ngopjes dhe jongopjes dhe është e definuar si pika ku V S = V S (sat) = V GS - V TN. Kur V GS rritet mbi vlerën e pikës së zhvendosjes, transistori polarizohet në regjionin e jongopjes. Shembulli 5.3 Në qarkun në Fig llogaritni I dhe V S nëse k n = 00 µa/v, V TN = 0.6 V, ndërsa Ë/L = 3. Fig. 5.16

14 5. Transistorët me efekt të fushës 175 Zgjidhje Nga gjendja polarizuese nuk jemi te sigurt në cilën prej dy modeve punon transistori. Supozojmë se punon në modin e ngopjes, kështu që: 1 ' W 1 I kn ( VGS VTN ) 00 3( ) 43µA L Aplikojmë Ligjin e ytë të Kirkofit për konturën e rejnit: V R I V 0 V V R I V S S Për kushte të ngopjes vlen: S GS TN NMOS punon në ngopje. V V V ,çka është plotësisht e vërtetë dhe 5..3 Amplifikatori i sinjaleve të vogla me MOSFET MOSFET i, i lidhur me elemente tjera në qark, mund të amplifikojë sinjale të vogla të ndryshueshme në kohë. Në Fig është paraqitur amplifikatori për sinjale të vogla me MOSFET, i cili është në konfiguracion me surs të përbashkët. Sinjali sinusoidal kyçet në gejt përmes kondensatorit të kuplimit. Në Fig. 5.17(b) janë paraqitur karakteristikat e transistorit dhe drejtëza e punës. rejtëza e punës është caktuar për v i = 0. Fig (a) Qarku me N-MOSFET me surs të përbashkët me sinjal alternativ në gejt dhe (b) karakteristikat e transistorit, drejtëza e punës dhe sinjali sinusoidal i superponuar.

15 176 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Pika e qetë e punës Q në drejtëzën e punës mund të caktohet me projektimin e herësit të rezistencave të polarizimit R 1 dhe R. Nëse marrim se vi Visin t, tensioni gejt-surs do të ketë sinjal sinusoidal të superponuar në vlerën njëkahore të pikës së qetë. Me ndryshimin e tensionit gejt-surs gjatë kohës, pika Q do të lëviz poshtë-lart në drejtëz, siç është paraqitur në figurë. Pika e punës, duke lëvizur poshtë-lart në drejtëzën e punës, pasqyron ndryshimet sinusoidale në rrymën e drejnit dhe në tensionin drejn-surs. Ndryshimet e tensionit dalës mund të jenë më të mëdha se ndryshimet e tensionit të sinjalit hyrës, që do të thotë se sinjali hyrës është amplifikuar. Përforcimi aktual i sinjalit varet nga parametrat e transistorit si dhe nga vlerat e elementeve të qarkut. 5.3 TRANSISTORI FET ME KONTAKT (JFET) y kategoritë e përgjithshme të transistorëve FET me kontakt (JFET) janë FET-i me kontakt (anglisht Junction Field-Effect Transistor) dhe FET-i me metal-gjysmëpërçues (anglisht Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor - MESFET) i cili fabrikohet me barrierë Schottky. Rryma te JFET-i kalon përmes regjionit gjysmëpërçues i njohur si kanali, me kontakte omike në të dy skajet. Veprimi themelor i transistorit është modulimi i përçueshmërisë së kanalit me një fushë elektrike perpendikulare në kanal. Pasi që fusha elektrike moduluese është e induktuar në regjionin e ngarkesave hapësinore të kontaktit pn me polarizim revers, fusha është funksion i tensionit të gejtit. Modulimi i përçueshmërisë së kanalit me tensionin e gejtit e modulon rrymën e kanalit. JFET-at janë zhvilluar para MOSFET ëve, por zbatimi dhe shfrytëzimi i MOSFET ëve është dukshëm më i madh se i JFET-ëve. Një prej arsyeve është fakti se tensionet e zbatuara në gejt dhe drejn të MOSFET it kanë polaritet të njëjtë, ndërsa tensionet e zbatuara te JFET-i duhet të kenë polaritete të kundërta. Pasi që FET-i shfrytëzohet vetëm në disa zbatime të specializuara, shqyrtimi i tyre do të jetë i shkurtë Veprim i JFET -it Në Fig është dhënë prerja tërthore e thjeshtuar e një JFET-i. Në regjionin n të kanalit në mes të dy regjioneve p, elektronet, si bartës kryesor, rrjedhin nga terminali i sursit në drejn, prandaj JFET i quhet komponentë e bartësve kryesor. y terminalet e gejtit janë të lidhur, ashtu që formojnë një terminal të vetëm, siç është paraqitur në Fig

16 5. Transistorët me efekt të fushës 177 Gate (gejti) p + Source (sursi) e - e - e - n p + rain (drejni) i Gate (gejti) + v - GS + - v S Fig Prerja tërthore e JFET it Te JFET i p-kanalesh, regjionet p dhe n janë të kundërta në krahasim me ato te komponenti n-kanalesh, dhe vrimat rrjedhin nëpër kanal nga sursi në drejn. Kahet e rrymave dhe polaritetet e tensioneve te JFET i p-kanalesh janë të kundërta me ato te komponenti n-kanalesh. Gjithashtu JFET i p-kanalesh është në përgjithësi komponentë e frekuencave më të ulëta se JFET i n-kanalesh, sepse lëvizshmëria e vrimave është më e vogël se lëvizshmëria e elektroneve. Në Fig. 5.19(a) është paraqitur JFET i n-kanalesh me tension zero të aplikuar në gejt. Nëse sursi është në potencialin e masës, dhe nëse në drejn zbatohet një tension i vogël pozitiv, rryma e drejnit paraqitet në mes të terminaleve surs dhe drejn. Pasi që kanali vepron esencialisht si rezistencë, karakteristika i në funksion të v S për vlera të vogla të v S është përafërsisht lineare, siç është paraqitur në Fig. 5.19(d). Nëse në gejt të JFET it zbatohet ndonjë tension, përçueshmëria e kanalit ndryshon. Nëse në gejt zbatohet tension negativ, te JFET ti n-kanalesh, kontakti pn në mes të gejtit dhe kanalit polarizohet revers. Regjioni i ngarkesave hapësinore zgjerohet, regjioni i kanalit ngushtohet, rezistenca e kanalit rritet, dhe pjerrtësia e lakores i zvogëlohet (Fig. 5.19(d)). Nëse tensioni negativ i gejtit rritet, mund të arrihet kushti i paraqitur në Fig. 5.19(c). regjioni i ngarkesave hapësinore plotësisht e mbush regjionin e kanalit. Ky kusht është i njohur si pinçofi (anglisht pinchoff puthitja). Pasi që regjioni i varfëruar izolon terminalet e sursit dhe drejnit, rryma e drejnit në pinçof është praktikisht zero.

17 178 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA = 0 = -V 1 p + p + + v S + v S p + i p + i = 0 (a) = -V 1 (b) = -V p + i = 0 +v S = -V 1 p + i = -V = -V (c) Fig Regjionet e ngarkesës hapësinore në mes të gejtit dhe kanalit dhe karakteristikat rrymëtension për tension të vogël v S dhe për: (a) tension zero në gejt, (b) tension të vogël të polarizimit revers të gejtit, dhe (c) tensionin e gejtit për të cilin arrihet pinçofi Shqyrtojmë tani situatën në të cilën tensioni i gejtit është zero, ndërsa ndryshon tensioni i drejnit si në Fig. 5.0(a). Me rritjen e tensionit (pozitiv), kontakti pn gejt-kanal polarizohet revers në afërsi të terminalit të drejnit dhe regjioni i ngarkesave hapësinore zgjerohet duke u shtrirë më tepër në kanal. Kanali vepron si rezistencë, dhe kjo rezistencë rritet me zgjerimin e gjerësisë së kanalit, ashtu që zvogëlohet pjerrtësia e rrymës i, siç është paraqitur në Fig. 5.0(d). Rezistenca efektive e kanalit tani ndryshon përgjatë kanalit, dhe pasi që rryma e kanalit duhet të jetë konstante, rënia e tensionit nëpër kanal bëhet e varur nga pozita. (d) v S Nëse tensioni i drejnit rritet edhe më tutje, mund të paraqitet puthitja e regjioneve të ngarkesave hapësinore si në Fig. 5.0(c). ku kusht është i njohur si pinçofi në terminal të drejnit. Çdo rritje e mëtutjeshme e tensionit të drejnit nuk do ta rrisë më rrymën e drejnit, siç është paraqitur në karakteristikën i v S në Fig. 5.0(d). Tensioni i drejnit në pinçof është v S (sat). Për v S > v S (sat), transistori polarizohet në regjionin e ngopjes, dhe rryma e drejnit nuk varet nga v S.

18 5. Transistorët me efekt të fushës 179 = 0 = 0 p + p + + v S ++v S p + i p + i = 0 (a) = 0 (b) = 0 p + i +++v S p + i Regjioni i ngopjes (c) = 0 v S (sat) (d) Fig. 5.0 Regjionet e ngarkesës hapësinore në mes të gejtit dhe kanalit dhe karakteristikat rrymëtension për tension zero të gejtit dhe për: (a) tension të vogël të drejnit, (b) tension më të lartë të drejnit, dhe (c) tensionin e drejnit për të cilin arrihet pinçofi në terminalin e drejnit v S 5.3. Karakteristikat rrymë-tension Simbolet së bashku me kahet e rrymës dhe polaritetin e tensioneve për të dy llojet e JFET ëve janë dhënë në Fig. 5.1(a) dhe (b). Karakteristikat ideale rrymë-tension, për transistorin në regjionin e ngopjes, mund të përshkruhen me vgs i ISS 1 VP ku I SS është rryma e ngopjes kur është vgs 0 dhe V P është tensioni i pinçofit (puthitjes). G + - (a) S + - i v S Fig. 5.1 Simbolet për: (a) JFET n-kanalesh dhe (b) JFET p-kanalesh G + - S (b) + - vs i

19 180 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Karakteristikat rrymë-tension për JFET in n-kanalesh dhe JFET in p-kanalesh janë paraqitur në Fig. 5.(a) respektivisht Fig. 5.(b). uhet të theksohet se tensioni i pinçofit V P për JFET in n-kanalesh është negativ dhe tensioni është zakonisht negativ, prandaj herësi /V P është pozitiv. Ngjashëm, tensioni V P për JFET in p-kanalesh është pozitiv dhe tensioni duhet të jetë pozitiv, prandaj edhe herësi /V P është pozitiv. Fig. 5. Karakteristikat rrymë-tension për JFET in (a) n-kanalesh; dhe (b) JFET in p- kanalesh Shembulli 5.4 Për qarkun në Fig 5.3 dihet I = 80μA. Janë të njohura karakteristikat e NMOSFET-it V TN = 0.6V, k n = 00μA/V, L = 0.8μm dhe W = 4 μm. (a) Të tregohet se në cilin mod të punës punon MOSFET-i? (b) Gjeni vlerën e R si dhe tensionin V. Fig. 5.3

20 5. Transistorët me efekt të fushës 181 Zgjidhje Shihet që sursi është i tokëzuar. (a) Pasi V G =0, V S = V GS, MOSFET-i operon ne regjionin e ngopjes sepse plotësohet kushti i njohur i ngopjes V S > V GS - V TN (b) Pasi, në kushte të ngopjes vlen: I 1 W L 1 W L ' ' kn ( VGS VTN ) kn VOV, V OV - quhet tension efektiv (V OV = V GS -V TN ), ndërsa k n = μ n C ox Nga relacioni i mësipërm, gjejmë që: V OV L I 0.4V kw ' n Nga shprehja për tensioni efektiv, mund të gjejmë që: V V V V, po ashtu V V V GS TN OV 1 G 1 Së fundi nga Ligji i ytë i Kirkofit për qarkun e drejnit (duke pas parasysh që çdoherë rryma e gejtit është zero) mund te gjejmë: V V 3 1 R 5k I 0.08 Shembulli 5.5 Në qarkun me PMOSFET në Fig. 5.4 llogaritni I, V S dhe V o nëse është e njohur V TP = 1 V, ' k 00 A / V W/L = 4, p dhe R = 00 Ω. Fig. 5.4

21 18 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Zgjidhje Supozojmë se transistori punon në kushte të ngopjes. 1 ' 1 I k p( VGS VTP ) 00 A (4)[1.5 5 ( 1)].5mA Prej këtu, tensioni drejn surs është: Në kushte të ngopjes vlen: V V V, prej nga S SG TP ngopjes ashtu është supozuar në fillim V R I (00 ).5mA 0.5V o VS S V0 V V e cila është e vërtetë, prandaj PMOSFET- i punon në modin e Vërejtje! Për MOSFET-in me kanal P mund të përdoret edhe formula për kushtin e ngopjes: V V V S GS TP Shembulli 5.6 Në qarkun në Fig. 5.5 janë të njohura: V TN = 1 V, R G1 = R G = 10 MΩ, R S = R = 6 kω dhe ' k n ( W / L) 1mA / V. Gjeni: a) V G b) I c) V S d) V Fig. 5.5

22 5. Transistorët me efekt të fushës 183 Zgjidhje Orientojmë rrymat e degëve si më poshtë: Nga parimi i punës së MOSFET-it rryma e gejtit është zero, prandaj tensioni i gejtit përcaktohet nga ndarësi i tensionit: R 10 G V G V 10 5 V RG1 R G Pasi tensioni në Gejt është pozitiv dhe më i madh se tensioni i pragut, atëherë NMOS do të jetë i kyçur. Supozojmë se NMOS operon në modin e ngopjes, e pastaj e shqyrtojmë vlefshmërinë e supozimit. Nga kontura e mësipërme mund të shkruajmë: 5 V 6 I 0 VGS 5 6I GS Pasi I 1 k ' n W L ( V zgjidhjet e këtij ekuacioni janë: I 0.89 GS V TN 18I 5I ma dhe I 0.5 ) 1 1 (5 6I 8 0 ma 1) Zgjidhja e parë (I = 0.89 ma) nuk merret në konsideratë, sepse tensioni në surs do të ishte 5.34 V, i cili është më i madh se tensioni i gejtit që nënkupton që NMOS është në ndërprerje. Ne supozuam që transistori është në ngopje dhe pranojmë I 0.5 Potencialet në terminalet e NMOSFET-it janë: ma VS V, V V, V V GS Pasi V S =V -V S = 7-3 = 4 V V GS -V TN = 3-1= V, prej nga plotësohet kushti i ngopjes V S V GS -V TN që ishte supozimi fillestar.

23 184 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA Shembulli 5.7 PMOS transistori në qarkun në Fig. 5.6 ka V TP = V, μ p C ox = 60μA/V, L = 0.8μm. Gjeni vlerën e kërkuar për W dhe R nëse rryma e drejnit është 115μA, ndërsa potenciali V = 3.5 V. Zgjidhje Fig. 5.6 Nga Fig. 5.6 shihet që V G = 0 V Nga Ligji i ytë i Kirkofit V V V 0 V V V V V GS GS GS 1.5V Rryma e drejnit në kushte të ngopjes është: 1 W 1 W I k ( V V ) C ( V V ) L L ' p GS TP p ox GS TP 1 W 115 A 60 A [ 1.5 ( 0.7)] L W ( 0.8) L W 4.79 m Pasi I G = 0, atëherë V 3.5 R 30.43k I 115 A

24 5. Transistorët me efekt të fushës 185 Shembulli 5.7 Në qarkun përforcues me MOSFET është e njohur V TN = 1 V dhe I dhe V. k W / L ma / V. Gjeni V GS, ' n Zgjidhje Në regjimin C të gjithë kondensatorët kanë reaktansa pakufi te madhe dhe paraqiten me qark të hapur. Prandaj skema ekuivalente do jetë si më poshtë: R 5 U GG U 15 5V R1 R , RG R1 R R R 3.33M Aplikojmë Ligjin e ytë të Kirkofit për qarkun e ekuivalentuar të gejtit Meqë I G 5 UGS 0 I dhe në kondita të ngopjes vlen relacioni i njohur 3

25 186 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA 1 ' W I kn ( VGS VTN ), atëherë: L 5 UGS 1 ( ) 3 UGS VTN UGS 5 UGS 0 3 Pas zgjidhjes së ekuacionit të fundit fitojmë: U GS1 = V dhe U GS = -1/3 V Pranohet vetëm zgjidhja e parë, sepse është supozuar që transistori punon në ngopje. Zgjidhja e dytë nuk merret në konsideratë sepse për këtë vlerë të tensionit transistori hyn në bllokim. Për U GS1 = V, kemi: I 5 UGS 5 1 ma, V V 3 3 Përfundimisht: U V, I 1 ma, V 7.5V GS

26 5. Transistorët me efekt të fushës 187 PASQYRË PYETJESH 5.1 Cili është dallimi esencial në mes BJT-ve dhe MOSFET-ve? 5. Të përshkruhet struktura fizike e MOSFET-it n dhe p kanalesh. Pse Emri MOSFET n- kanalesh dhe p kanalesh dhe pse quhen unipolar? 5.3 Të diskutohet krijimi i kanalit të MOSFET-ët me kanal të induktuar. 5.4 Çka është tensioni i pragut në MOSFET-ata n dhe p kanalesh? 5.5 Tensioni i pragut të NMOS-i ka vlerë pozitive, ndërsa të PMOS-i ka vlerë negative. Pse? 5.6 Pse MOSFET-i quhet element i kontrolluar me tension? 5.7 Pse kanali ndërmjet sursit dhe drejnit në kushte të caktuara të polarizimit është uniform? 5.8 Kur MOSFET-i mund të përafrohet me rezistor linear, ku rezistenca e kanalit është invers proporcionale me rritjen e tensionit të gejtit? 5.9 Pse kanali në kushte të caktuara të polarizimit shkon duke u ngushtuar duke shkuar kah drejni? 5.10 Të shpjegohet pse dy tipet e MOSFET-ve (me kanal n dhe p) kanë rezistencë shume të madhe hyrëse në gejt Përshkruaj dallimin bazik ndërmjet MOSFET-it me kanal të induktuar dhe JFET-it. 5.1 Nëse në MOSFET me kanal të induktuar, tensioni ndërmjet Gejtit dhe Sursit është zero, sa është rryma e drejnit? 5.13 Nëse në JFET, tensioni në U GS = 0, sa është rryma e drejnit? 5.14 Cili është dallimi esencial në mes BJT-ve dhe JFET-ve? 5.15 Pse MOSFET-i n kanalesh ka përdorim më të madh se MOSFET-i p kanalesh? 5.16 Kur MOSFET-i hyn në ngopje? Të shpjegohet kufiri ndërmjet jo ngopjes dhe ngopjes Çka kuptoni me pinch off të JFET-i dhe a mund te flitet për të njëjtën dukuri edhe në MOSFET?

27 188 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTRONIKA PROBLEME 5.1 Pwr qarkun me PMOSFET, Llogaritni I dhe V S nwse V TP = V, k p = 160 μa/v dhe W/L = 10 Udhëzim: Konsideroni që PMOSFET-i është në ngopje dhe diskutoni rezultatin! 5. Për një NMOSFET transistor, tek i cili V TN = 0.8V, ndërsa ndërron ndërmjet 1.5 V deri në 4V. a) Sa është vlera më e madhe tensionit v S për të cilën kanali mbetet uniform? b) Të paraqitet I = f(u S ) në këto rrethana. 5.3 Gjeni I dhe V dhe verifikoni gjendjen polarizuese për zgjedhjen e juaj të MOSFET-it nëse V TN = 0.5 V ndërsa k n = 50 μa/v dhe W/L = Zgjidhje I = 50 μa, V = 1.4 V

28 5. Transistorët me efekt të fushës Për përforcuesin me MOSFET n-kanalesh janë të njohura parametrat e tij: ' k ( / ).5 / n W L ma V, V TN = 0.5 V dhe λ=0 si dhe elementet e qarkut: RG M, RG 1.1 M, R k. Gjeni vlerën e rezistencës R s ashtu që rryma në pikën e punës nëpër drejn është I Q =.915 Zgjidhje: RS Për qarkun transistorik me MOSFET n kanalesh gjeni pikën e punës (V S, I ). Tensioni i pragut të transistorit të përdorur është V TN = 3 V. Me matje është konstatuar që tensioni V GS = 8.5 V. Janë të njohura: V = 15 V, R 1 = 10 MΩ dhe R = 4.7 kω