Elektronički Elementi i Sklopovi. Sadržaj predavanja: 1. FET tranzistori 2. MOSFET tranzistori

Transcript

1 Sadržaj predavanja: 1. FET tranzistori 2. MOSFET tranzistori

2 Slično kao i bipolarni tranzistor FET (Field Effect Tranzistor - tranzistor s efektom polja) je poluvodički uređaj s tri terminala (izvoda) Razlika između između FET tranzistora i bipolarnih tranzistora je u tome što se sa bipolarnim tranzistorom upravlja pomoću struje dok se sa FET tranzistorom upravlja putem napona. Kod bipolarnih tranzistora je struja kolektora I C funkcija struje baze I B. Kod FET tranzistora struja drain elektrode I D je funkcija upravljačkog napona V GS

3 Jedna od najvažnijih karakteristika FET tranzistora je visoka ulazna impedancija Ulazna impedancija FET tranzistora je oko 1 MΩ što je daleko više od BJT tranzistora S druge strane BJT tranzistori imaju prilično veće naponsko pojačanje od FET tranzistora FET tranzistori su stabilniji od BJT tranzistora s obzirom na temperaturne varijacije FET tranzistori su manjih dimenzija od BJT tranzistora što ih čini pogodnim za dizajn integriranih krugova (IC)

4 FET tranzistore dijelimo na slijedeće skupine: JFET - Junction Field Effect Transistor - n - kanalni - p - kanalni MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - depletion type (FET osiromašenog tipa) - enhanced type (FET obogaćenog tipa) MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET je najviše rasprostranjen kod dizajna integriranih krugova (IC) MESFET je poluvodički uređaj novijeg doba te koristi GaAs kao poluvodički materijal (zbog brzine rada tranzistora)

5 Konstrukcija n-kanalnog JFET tranzistora: Glavni dio konstrukcije čini materijal N-tipa koji formira kanal u sendviču između poluvodičkog materijala P-tipa. Dva materijala P-tipa su povezani na elektrodu gate (G) Gornja elektroda na slici se naziva gate (G) dok se donja elektroda naziva source (S). P-N spojevi tvore osiromašeno područje slično kao kod tranzistora. To je područje bez slobodnih nosioca naboja.

6 Operacija JFET tranzistora može se zamisliti slično kao i operacija slavine. Zakretanjem slavine regulira se tijek vode kroz cijev. Voda teče iz izvora kroz cijev i otiče u odvod (sink). JFET tranzistor je analogan protoku vode kroz slavinu. Povećavanjem napona između elektroda G (gate) i S (source) povećava se i protok struje.

7 JFET tranzistor kada je V GS = 0, V DS > 0

8 U ovom slučaju su elektrode G i S na istom potencijalu od 0V. U trenutku kada primjenimo napon V DD između elektroda D i S elektroni poteku prema drain terminalu (D) što rezultira strujom I D prema source terminalu (S). U ovom slučaju je struja kroz drain terminal I D je jednaka struji kroz source terminal I S zbog toga što nije primjenjen napon V GS.

9 Treba primjetiti da se osiromašeno područje širi prema D (drain) elektrodi. Ovo proširenje se događa zbog toga što kanal ima odgovarajući otpor te kroz N-kanal imamo gradijent potencijala. To znači da zaporni potencijal P-N spoja raste od elektrode S ka elektrodi D te zbog toga raste i širina osiromašenog područja. Sličan efekt imamo i kod diode, širina osiromašenog područja raste sa naponom reverzne polarizacije.

10 Kako raste napon V DS struja I D će rasti prema Ohmovom zakonu kao na slici: Treba primjetiti da je za niže vrijednosti napona V DS struja I D ima gotovo konstantnu ovisnost o naponu V DS, tj. otpor je gotovo konstantan. Kako povećavamo napon V DS tako se kanal sužava jer se povećava širina osiromašenog područja. Zbog toga, kada napon V DS dosegne vrijednost napona V P kanal se toliko suzi da sada otpor kanala jako raste sa naponom V DS.

11 Napon V DS kada se kanal toliko suzi da se osiromašena područja "dodiruju" označuje se sa V P (eng. pinch-off voltage) Iako naziv pinch-off sugerira da je struja I D = 0 pri naponu V P, to nije slučaj već tada struja I D poprima vrijednost struje saturacije, tj. I D = I DSS Kako se napon V DS povećava iznad vrijednosti V P tako se osiromašena područja počinju dodirivati cijelom dužinom kanala, međutim nivo struje I D ostaje konstantan.

12 To u suštini znači da ako je V DS > V P onda JFET ima karakteristiku strujnog izvora: Struja I DSS je ujedno i maksimalna struja draina (I D ) koju JFET može dati. Kao što je vidljivo iz slike, struja je fiksna na nivou I DSS, ali napon V DS ovisi o teretu spojenom na JFET tranzistor.

13 JFET tranzistor kada je V GS < 0 Napon V GS je napon pomoću kojeg upravljamo JFET tranzistorom. Slično kao što za BJT tranzistor nivoi struje I C ovisi o naponu V CE za različite nivoe struje I B, tako i kod JFET tranzistora struja I D ovisi o naponu V DS za različite nivoe napona V GS. Treba primjetiti da su u aktivnom području naponi V GS za n-kanalni JFET negativni.

14 Fizikalno gledajući kako se smanjuje napon V GS (tj. kako postaje negativniji) to je potreban sve manji napon V DS = V P da bi tranzitor ušao u saturaciju. Razlog tome je što je negativniji napon V GS, G elektroda postaje sve negativnija u odnosu na drain D te se povećava širina osiromašenog područja. Kod p-kanalnog JFET tranzistora je fizikalna slika obrnuta, kako napon V GS raste (postaje sve pozitivniji) treba sve manji napon V DS = V P da bi tranzitor ušao u saturaciju. U data-sheetu proizvođača, pinch-off napon V P se najčešće označava sa V GS(off).

15 Jedna od primjena JFET tranzistora u omskom području (području lijevo od saturacije) jest da služi kao naponski upravljani otpor. U omskom području, struja I D je gotovo linearno ovisna o naponu V DS te se otpor može uzeti da je konstantan. Nagib krivulje u omskom području se može regulirati naponom V GS. Otpor u omskom području se može aproksimirati pomoću jednadžbe: (1) r d = r 0 1 V GS ΤV 2 P gdje je r 0 otpor kada je V GS = 0 V.

16 p-kanalni JFET tranzistor Konstrukcija p-kanalnog JFET tranzistora je identična konstrukciji n-kanalnog JFET tranzistora s tom razlikom što su materijali P i N tipa zamijenjeni. Smijerovi struja I D, I S i I G su obrnuti nego kod n-kanalnog JFET tranzistora. Naponi V DS i V GS su također obrnutog polariteta nego kod n-kanalnog JFET tranzistora.

17 Karakteristika p-kanalnog JFET tranzistora. Za oba tipa JFET tranzistora (p-kanalni i n- kanalni) postoji i breakdown regija ako napon V DS poraste iznad napona V DSmax. U breakdown regiji struja I D jest limitirana samo vanjskom električnom mrežom.

18 simboli JFET tranzistora n-kanalni JFET p-kanalni JFET

19 Sažetak (JFET) tranzistori: Maksimalna struja I D kroz JFET tranzistor se označava kao struja I DSS i to je ona struja koja teče kroz tranzistor kada je V GS = 0 te kada je V DS V P. Kada je iznos napona V GS (modul) veći ili jednak od iznosa napona (modula) V P tada je struja I D = 0 A Za sve napone V GS koji su između napona 0V i napona V P struja I D će biti između I DSS i 0 A

20 Prijenosna karakteristika JFET tranzistora Kod BJT tranzistora struja I C je funkcija struje baze I B te su ova dva parametra povezani putem strujnog pojačanja β: (2) I C = f I B = βi B Jednadžba (2) je linearna jednadžba, tj. I C linearno ovisi o struji I B. Kod JFET-a imamo kvadratnu ovisnost struje I D o naponu V GS : (3) I D = I DSS 1 V GS V P 2 Jednadžba (3) naziva se još i Shocklyeva jednadžba. Iz jed. (3) je vidljivo da je ovisnost struje I D o naponu V GS nelinearna.

21 Bitno je uočiti da: 1. V GS = 0 I D = I DSS 2. V GS = V P I D = 0

22 Usporedba operacijskih parametrara za FET i JFET

23 Konstrukcija n-kanalnog MOSFET tranzistora osiromašenog tipa Konstrukcija n-kanalnog MOSFET tranzistora započinje sa substratom P-tipa. Substrat je temelj na kojemu se gradi MOSFET tranzistor. Mnogi MOSFET tranzistori imaju još i dodatnu SS elektrodu koja je vezana substrat. Terminali (S) i (D) su spojeni na materijal N-tipa koji je povezan kanalom N-tipa. Gate elektroda je vezana na izolacijski sloj (SiO2). Za razliku od JFET tranzistora, ne postoji direktni spoj između gate (G) elektrode i kanala N-tipa. Ovaj sloj silicij dioksida (SiO2) bitno povećava ulaznu impedanciju MOSFET tranzistora!

24 Zbog visoke ulazne impedancije, za DC analizu može se uzeti da je I G = 0. Naziv metal-oxide-semiconductor je očit iz konstrukcije MOSFET tranzistora: metal je za gate,source i drain elektrode, oxide dolazi iz SiO2 izolacijskog sloja te semiconductor dolazi od poluvodičkog materijala u koji se difundiraju primjese P i N tipa. Zbog izolacijskog sloja između gate elektrode i poluvodičkog materijala (SiO2) MOSFET se ponekad naziva i insulated-gate FET tj. IGFET.

25 MOSFET tranzistor kada je V DS > 0 Na slici je n-kanalni MOSFET tranzistor osiromašenog tipa. Rezultirajuća struja je slična onoj kao i kod JFET tranzistora. Slobodni nosioci (elektroni) u n-kanalu se pod uticajem napona V DS gibaju od elektrode S (source) prema D (drain) elektrodi.

26 Prijenosna karakteristika n-kanalnog MOSFET tranzistora

27 Ako na G (gate) elektrodu dovedemo negativni potencijal, taj. negativni potencijal gura elektrone prema substratu P-tipa. Pod uticajem napona V GS pojačava se rekombinacija parova elektron-šupljina što rezultira smanjenim brojem slobodnih nosioca u kanalu N-tipa. Zbog toga se struja I D smanjuje sa povećanjem negativnog napona V GS. Ako napon V GS postane pozitivan tada prema gate (G) elektrodi putuju dodatni manjinski nosioci iz substrata P-tipa. Takve nosioce akcelerira električno polje te zbog sudara dolazi do stvaranja novih nosioca.

28 Pod ovim uvjetima, kada V GS nastavlja rasti (tj. kada postaje sve pozitivniji) struja I D počinje eksponencijalno rasti. U ovom području rada, treba voditi računa o maksimalnoj struji I D koja može teći kroz MOSFET tranzistor bez posljedica po uređaj. Kod n-kanalnog MOSFET-a ako je napon V GS > 0 onda je tranzistor u obogaćenom području a kada je V GS < 0 transistor je u osiromašenom području. Struja koja teče kroz tranzistor se kao i kod JFET tranzistora može opisati Schocklyevom jednadžbom, tj. jednadžbom (3).

29 Konstrukcija p-kanalnog MOSFET tranzistora osiromašenog tipa Konstrukcija p-kanalnog MOSFET tranzistora je točno obrnuta od n-kanalnog MOSFET tranzistora. Za razliku od n-kanalnog MOSFET-a, kanal je P tip poluvodiča dok je substrat N-tip poluvodiča. Napon V DS je negativan za p-kanalni MOSFET.

30 Prijenosna karakteristika p-kanalnog MOSFET tranzistora.

31 Simboli n-kanalnog i p-kanalnog MOSFET tranzistora. Postoje izvedbe sa izdvojenom elektrodom substrata (4) terminala te bez elektrode substrata (3) terminala.

32 MOSFET tranzistor obogaćenog tipa Konstrukcija MOSFET tranzistora obogaćenog tipa je različita od JFET tranzistora i MOSFET tranzistora osiromašenog tipa. Posljedica toga je da prijenosna karakteristika nije opisana Shocklyevom jednadžbom. Također struja I D ne teče sve dok napon V GS ne postigne točno određen nivo.