Ηλεκτρονική Μάθημα V Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ.

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ηλεκτρονική Μάθημα V Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ."

1 Ηλεκτρονική Μάθημα V Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Ε.ΔΙ.Π. Μηχανικών Δρ. Αθανάσιος Παραγωγής Ψωμούλης και Διοίκησης, Δ.Π.Θ. Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ.

2 Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (Field Effect Transistor - FET) 1. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Επαφής (Junction Field Effect Transistor - JFET) 2. Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Μετάλλου-Οξειδίου-Ημιαγωγού (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET) Απογύμνωσης, Αραίωσης (depletion) Εμπλουτισμού, Πύκνωσης (enhancement)

Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Διπολικά Τρανζίστορ (BJT) Διπολικό (φορείς ρεύματος ηλεκτρόνια και οπές) npn, pnp Μεταβολές του ρεύματος IB καθορίζουν το ρεύμα από τον Εκπομπό προς τον Συλλέκτη

3 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Διπολικά Τρανζίστορ (BJT) Διπολικό (φορείς ρεύματος ηλεκτρόνια και οπές) npn, pnp Μεταβολές του ρεύματος IB καθορίζουν το ρεύμα από τον Εκπομπό προς τον Συλλέκτη Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (FET) Μονοπολικό (φορείς ρεύματος μόνο ηλεκτρόνια ή μόνο οπές) n-διαύλου, p-διαύλου Μεταβολές της τάσης VGS καθορίζουν το ρεύμα από την Πηγή προς τον Απαγωγό (μέσω της μεταβολής της αγωγιμότητας του διαύλου)

4 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής (FET) Διπολικά Τρανζίστορ (BJT) Μεγάλο κέρδος τάσης Μικρή σύνθετη αντίσταση εισόδου Ακροδέκτες: E (Emitter) - Εκπομπός B (Base) - Βάση C (Collector) - Συλλέκτης Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (FET) Μικρό κέρδος τάσης Πολύ μεγάλη σύνθετη αντίσταση εισόδου Ακροδέκτες: S (Source) - Πηγή G (Gate) - Πύλη D (Drain) - Απαγωγός

5 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής (JFET) πύλη υλικό τύπου p απαγωγός υλικό τύπου n πηγή υλικό τύπου p

6 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής (JFET)

7 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής (JFET) D D G G S S D G S

8 Πόλωση JFET p p n-δίαυλος n-δίαυλος p p V GS =0V V GS >-V Τ V DS =0V V DS <V GS -V Τ p n-δίαυλος p V GS <-V Τ V DS >V GS -V Τ

9 Πόλωση JFET

10 Πόλωση JFET

11 Πόλωση JFET (VGS = 0V, VDD μεταβλητή)

12 Πόλωση JFET - Χαρακτηριστική I-V απαγωγού (VGS = 0V) VGS = 0V IDSS - Μέγιστο ρεύμα απαγωγού VP - Τάση καμπής (Β) Τάση κατάρευσης (C)

13 Πόλωση JFET (VGS μεταβλητή, VDD σταθερή)

14 Πόλωση JFET - Χαρακτηριστική I-V απαγωγού (VGS, VDS μεταβλητές) IDSS - Μέγιστο ρεύμα απαγωγού VP - Τάση καμπής VGS(off) = -VP = Μέγιστη αρνητική τάση Πύλης-Πηγής όπου το ρεύμα απαγωγού ID μηδενίζεται

15 Περιοχές Λειτουργίας FET Η «περιοχή κορεσμού ή σταθερού ρεύματος» (saturation region), η οποία αντιστοιχεί στην ενεργό περιοχή του διπολικού τρανζίστορ και ενίοτε ονομάζεται και εδώ «ενεργός περιοχή» και για το λόγο αυτό δεν πρέπει να συγχέεται με την περιοχή κορεσμού του διπολικού τρανζίστορ. Στην περιοχή αυτή το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου είναι αγωγός ελεγχόμενος από την τάση πύλης-πηγής, ανεξάρτητα της τάσης μεταξύ απαγωγού και πηγής. Η «περιοχή αποκοπής ή στραγγαλισμού» (cut off region), στην οποία η τάση πύλης-πηγής είναι τέτοια ώστε ο δίαυλος κλείνει και η ωμική του αντίσταση είναι πρακτικά άπειρη. Η «ωμική ή τρίοδος περιοχή» (ohmic or triode region), κατά την οποία η τάση απαγωγού-πηγής είναι πολύ μικρή [μικρότερη της τάσης καμπής (<VP)] και το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου λειτουργεί ως ωμική αντίσταση.

16 Γραφική ανάλυση FET Ι D (ma) Ι D =V DD /R DS V DS =I D R DS Q περιοχή κορεσμού ωμική περιοχή περιοχή αποκοπής περιοχή κατάρρευσης V DS =V DD V DS (V)

17 Χαρακτηριστικές I-V JFET Ι D (ma) Ι DSS Ι D (ma) Ι DSS V GS =0V V GS =-1V V GS =-2V V GS =-3V V GS =-4V -V T =VGS(off) V GS (V) V T V DS (V) Χαρακτηριστική I-V Εισόδου Καμπύλη Διαγωγιμότητας (ID-VGS) Χαρακτηριστική I-V Εξόδου Καμπύλες Απαγωγού (ID-VDS)

18 Παράδειγμα Nα προσδιοριστεί η ταση τροφοδοσίας έτσι ώστε το JFET (IDSS=12mA, VGS(off) = -4V) του κυκλώματος να λειτουργεί στην περιοχή σταθερού ρεύματος. VP = -VGS(off) = 4V Για λειτουργία στην περιοχή σταθερού ρεύματος VDS >= 4V

19 Συνδεσμολογίες FET In G D S Out In S G D Out In G D S Out V DD V DD V DD V in V out V out V out V in V in

20 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μονωμένης πύλης MOSFET Απογύμνωσης πύλη πηγή απαγωγός n n υλικό τύπου p σώμα

21 Πόλωση MOSFET Απογύμνωσης

22 Χαρακτηριστικές I-V MOSFET απογύμνωσης Ι D (ma) Ι DSS Ι D (ma) λειτουργία απογύμνωσης λειτουργία εμπλουτισμού Ι DSS V GS =2V V GS =1V V GS =0V V GS =-1V V GS =-2V -V T =VGS(off) V GS (V) V T V DS (V) Χαρακτηριστική I-V Εισόδου Καμπύλη Διαγωγιμότητας (ID-VGS) Χαρακτηριστική I-V Εξόδου Καμπύλες Απαγωγού (ID-VDS)

23 Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μονωμένης πύλης MOSFET Εμπλουτισμού πύλη πηγή απαγωγός n n υλικό τύπου p σώμα

24 Πόλωση MOSFET Εμπλουτισμού

25 Πόλωση MOSFET Εμπλουτισμού V DS =0V V DS >0V V GS =0V πύλη 0V<V GS <V T πύλη πηγή απαγωγός πηγή απαγωγός n n n n υλικό τύπου p υλικό τύπου p σώμα σώμα V DS <V GS V GS V T < V DS V T <V GS πύλη V T < V GS πύλη πηγή απαγωγός πηγή απαγωγός n n n n υλικό τύπου p υλικό τύπου p σώμα σώμα

26 Χαρακτηριστικές I-V MOSFET εμπλουτισμού Ι D (ma) Ι DSS Ι D (ma) V GS =5V V GS =4V V GS =3V V GS =2V V GS =1V VGS(th) V GS (V) V DS (V) Χαρακτηριστική I-V Εισόδου Καμπύλη Διαγωγιμότητας (ID-VGS) Χαρακτηριστική I-V Εξόδου Καμπύλες Απαγωγού (ID-VDS)

27 Εξισώσεις λειτουργίας JFET µ = V DS V GS I D =const g m = r d = I D V GS V DS I D V DS =const V GS =const I D = K(V GS V T ) 2 I DSS = K(V T ) 2

28 Κυκλωματικό μοντέλo τρανζίστορ επίδρασης πεδίου D g m V GS r d R GS G V GS S

29 Σύνδεση κοινής πηγής V DS = V DD I D R D RD V GS = V GG VDS I D VDD VGS VGG

30 Χαρακτηριστικές I-V FET σε συνδεσμολογία κοινής πηγής με υπολογισμένο το σημείο ηρεμίας Ι D (ma) V GS_max V GS_Q V GS_min Ι D_max Ι D_Q Ι D_min Μ Q Ν V GS =0V V GS =-1V V GS =-2V V GS =-3V V GS =-4V V GS =-5V V DS (V) V DS_min V DS_Q V DS_max

31 Προδιαγραφές τρανζίστορ επίδρασης πεδίου P D = V DS I D P D max >V DS I D Ι D (ma) V GS (V)

32 Το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου ως ενισχυτής G D G D V GG S V DD V GG S V DD V GG G D Β S V DD V GG G D Β S V DD V GG G D Β S V DD V GG G D S Β V DD

33 Πόλωση με διαιρέτη τάσης V S = I D R S V DD V G = V DD V GS = V G R G2 R G1 R G2 V S V in R G1 G D S R D V out R G2 R S

34 Το FET ως διακόπτης Ι D (ma) Q ΟΝ V GS_ON Q OFF V GS_OFF V DS (V)

35 Τιμή τάσης πύλης-πηγής για την οποία το FET διακόπτης είναι ανοικτό ή κλειστό JFET JFET M O S F E T M O S F E T M O S F E T M O S F E T n-διαύλου p-διαύλου εμπλουτισμού εμπλουτισμού απογύμνωσης απογύμνωσης n-διαύλου p-διαύλου n-διαύλου p-διαύλου ΟΝ Μηδέν Μηδέν Θετική Αρνητική Μηδέν Μηδέν OFF Αρνητική Θετική Μηδέν Μηδέν Αρνητική Θετική

36 Ισοδύναμο κύκλωμα διακόπτη MOSFET εμπλουτισμού n-διαύλου G D Β V DD V DD S G D Β V DD V DD S

37 Απλός τεμαχιστής με FET V in V in V out R S t V ctrl V ctrl V in R S V out t V ctrl V out t

38 Κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης με MOSFET V in V in V out C H t V ctrl V ctrl t V out t

39 Παράδειγμα Στο σχήμα έχουμε ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει τεμαχιστή με JFET. Να εξηγήσετε τη λειτουργία του κυκλώματος. Το JFET οδηγείται από ένα κύκλωμα συγκριτή, το οποίο παράγει στην έξοδο 5V όταν η είσοδος είναι μεγαλύτερη από μία τάση κατωφλίου Vth και -5V όταν είναι μικρότερη. Η δίοδος στην πύλη του JFET αποκόπτει τις θετικές τάσεις. Έτσι στην πύλη του JFET θα έχουμε 0V όταν η είσοδος είναι μεγαλύτερη την τάση κατωφλίου και -5V όταν είναι μικρότερη. V in R G R L V out Επομένως: V th 5V -5V Vout = Vin αν Vin > Vth και Vout = 0V αν Vin < Vth

40 Παράδειγμα Στο διπλανό σχήμα το FET οδηγεί μία LED. Έστω ότι η LED είναι μια κοινή κόκκινη LED με μέγιστο ρεύμα 20mA και τάση πόλωσης VLED=2,2V. Αν η αντίσταση διαύλου του MOSFET όταν αυτό είναι σε κατάσταση ΟΝ είναι rd=0,1ω, να δείξετε την αναγκαιότητα ύπαρξης της αντίστασης RD=500Ω. Επίσης να δείξετε ότι η κατανάλωση ισχύος πάνω στη συσκευή είναι αμελητέα. Όταν ο διακόπτης μπουτόν είναι ανοικτός, η τάση στην πύλη του MOSFET είναι μηδέν και επομένως δεν άγει, άρα η LED είναι σβηστή. Όταν πατήσουμε το μπουτόν, ο διαιρέτης τάσης θα κάνει την τάση της πύλης 5V, που είναι ικανή για να κάνει το MOSFET να άγει. Εξετάζουμε την περίπτωση που δεν υπήρχε αντίσταση 500Ω. Στην περίπτωση αυτή το ρεύμα ID είναι: ID = (VDD - VLED)/rd = (10V 2,2V) / 0,1Ω = 78A 1MΩ 10V R D =500Ω Είναι προφανές ότι ένα τέτοιο ρεύμα θα κατέστρεφε τη LED, το MOSFET και θα προκαλούσε πτώση τάσης στη γραμμή. Βάζοντας στη σειρά με το MOSFET την αντίσταση RD=500Ω το ρεύμα ID είναι: ID = (VDD - VLED)/(RDrd) = (10V 2,2V) / 500,1Ω = 15,6mA 1MΩ Το ρεύμα αυτό είναι πολύ μικρότερο από το μέγιστο ρεύμα της LED άρα δεν υπάρχει πρόβλημα καταστροφής της, ενώ είναι σε λογικά πλαίσια και για το MOSFET και αυτό γιατί όσον αφορά στην κατανάλωση ισχύος στο MOSFET, αυτή είναι: PD = ID^2 rd = (15,6mA)^2 0,1Ω = 0,024mW Η κατανάλωση αυτή είναι πράγματι αμελητέα και δεν εμπεριέχει κανένα κίνδυνο καταστροφής της συσκευής.

41 Παράδειγμα Ας υποθέσουμε ότι η διαθέσιμη τάση σε ένα σύστημα είναι VDD και ένας ενεργοποιητής χρειάζεται την τάση αυτή για να εκκινήσει. M VDD Όταν η τάση VGG είναι υψηλή, το FET είναι σε κατάσταση ΟΝ και τότε λειτουργεί ο ενεργοποιητής. 0V VGG 100kΩ Όταν η τάση VGG είναι χαμηλή, το FET είναι σε κατάσταση ΟFF και ο ενεργοποιητής είναι αδρανής.

42 Ερωτήσεις Γιατί τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου ονομάζονται μονοπολικά; Πώς ονομάζονται οι ακροδέκτες σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου; Μπορεί η πηγή και ο απαγωγός σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου να αναστραφούν; Σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου να περιγράψετε τα φαινόμενα που συμβαίνουν όταν θέσουμε τάση μεταξύ απαγωγού και πηγής και αρχίζουμε να μειώνουμε την τάση στην πύλη. Ποιες οι βασικές διαφορές και ποιες οι ομοιότητες μεταξύ JFET και MOSFET; Σε τι διαφέρει ένα MOSFET εμπλουτισμού από ένα απογύμνωσης; Ποιες είναι οι περιοχές λειτουργίας ενός τρανζίστορ επίδρασης πεδίου; Με ποιους τρεις τρόπους συνδέουμε συνήθως ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου; Όταν η τάση VGS είναι μηδέν σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το FET; Όταν η τάση VGS < VT σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το JFET;

43 Ερωτήσεις Πώς επιτυγχάνεται ενίσχυση τάσης μέσω ενός τρανζίστορ επίδρασης πεδίου; Να σχεδιάσετε την οικογένεια καμπυλών I-V για ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου και να οριοθετήσετε τις περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ πάνω στο διάγραμμα. Που τοποθετούμε το σημείο λειτουργίας ενός κυκλώματος ενίσχυσης βασισμένου σε FET αν θέλουμε να έχουμε χαμηλή κατανάλωση ισχύος; Τι χάνουμε κερδίζοντας σε κατανάλωση; Να σχεδιάσετε το ισοδύναμο κύκλωμα ενός τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Ποια μεγέθη καθορίζουν την κατανάλωση ισχύος σε ένα FET; Για ποιους λόγους τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου χρησιμοποιούνται ευρύτερα από τα διπολικά τρανζίστορ ως διακόπτες; Που χρησιμοποιούμε ένα κύκλωμα τεμαχιστή; Να σχεδιάσετε ένα απλό τεμαχιστή με MOSFET απογύμνωσης n-διαύλου. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα αντιστάτη ελεγχόμενος από τάση.

Επιπλέον βιβλιογραφία Horowitz, P. and Hill, W., The Art of Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, New York, 1989. Maloberti, F.

44 Επιπλέον βιβλιογραφία Horowitz, P. and Hill, W., The Art of Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, New York, Maloberti, F., Understanding Microelectronics: A Top-Down Approach, John Wiley and Sons, New York, Malvino, A. and Bates, D., Electronics Principles, 8th Edition, McGraw-Hill, New York, McWhorter, G. and Evans, A., Basic Electronics, Master Publishing, Richardson, Texas, Millman, J. and Grabel, A., Microelectronics, 2nd Edition, McGraw-Hill, New York, Mims, F., Engineer s Mini-Notebook: Basic Semiconductor Circuits, Radio Shack Archer Catalog No , Razavi, B., Microelectronics, 2nd Edition, John Wiley and Sons, New York, Rizzoni, G., Principles and Applications of Electrical Engineering, 5th Edition, McGraw-Hill, New York, Senturia, S.D. and Wedlock, B.D., Electronics Circuits and Applications, John Wiley and Sons, New York, 1975.

Σχετικά έγγραφα

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ. Eλεγχος εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου με την εφαρμογή εξωτερικού δυναμικού στην πύλη (gate, G).

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ. Eλεγχος εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου με την εφαρμογή εξωτερικού δυναμικού στην πύλη (gate, G). ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι 1. Ημιαγωγική δίοδος Ένωση pn 2. Τρανζίστορ FET 3. Πόλωση των FET - Ισοδύναμα κυκλώματα 4. Ενισχυτές με FET 5. Διπολικό τρανζίστορ (BJT) 6. Πόλωση των BJT - Ισοδύναμα κυκλώματα 7. Ενισχυτές