Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 1 ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET) ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ ΕΠΑΦΗΣ (JFET) Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου είναι ηλεκτρονικά στοιχεία στα οποία οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύµατος είναι ενός είδους (οι φορείς πλειονότητας ενός αγώγιµου διαύλου που σχηµατίζεται) σε αντίθεση µε τα διπολικά τρανζίστορ όπου συνεισφέρουν στο ηλεκτρικό ρεύµα τόσο οι φορείς πλειονότητας όσο και οι φορείς µειονότητας. Οι φορείς αυτοί είναι ελεύθεροι να κινούνται σε µια περιοχή (κανάλι, δίαυλος) που οριοθετείται από τις περιοχές φορτίων χώρου (διακένωσης) δύο ανάστροφα πολωµένων pn επαφών. Το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου του σχήµατος 1 αποτελείται από έναν κρύσταλλο πυριτίου τύπου n στις δύο πλευρές του οποίου έχουν σχηµατιστεί p-περιοχές µεγάλης συγκέντρωσης προσµίξεων (p + ). Ένα τέτοιο FET ονοµάζεται n-τύπου JFET. Οι δύο αυτές περιοχές βραχυκυκλώνονται µεταξύ τους και καταλήγουν σε έναν ακροδέκτη που ονοµάζεται πύλη. Τα δύο άκρα του κρυστάλλου υπάρχουν δύο ακροδέκτες. Τα δύο άκρα του κρυστάλλου είναι εν γένει ισοδύναµα µεταξύ τους (σε αντίθεση µε το διπολικό τρανζίστορ όπου ο εκποµπός διαφέρει από το συλλέκτη στα επίπεδα προσµίξεων). Στους ακροδέκτες του FET αποδίδεται ονοµασία ανάλογα µε τη συνδεσµολογία. Έτσι, το άκρο στο οποίο κατευθύνονται οι φορείς πλειονότητας ονοµάζεται απαγωγός (rain) και καταδεικνύεται µε το γράµµα ενώ το άλλο άκρο ονοµάζεται πηγή (Source) και καταδεικνύεται µε το γράµµα S. Με βάση τα παραπάνω, για να θεωρείται ο δεξιός ακροδέκτης του n- τύπου JFET στο σχήµα 1(α) ως απαγωγός θα πρέπει να συνδέεται σε υψηλότερο δυναµικό από ότι ο αριστερός ακροδέκτης που
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 2 χαρακτηρίζεται ως πηγή. Σε περίπτωση που εναλλάσσεται η πολικότητα της τάσης µεταξύ των δύο ακροδεκτών εναλλάσσεται και η ονοµασία τους. Όπως και να ναι πάντως θα πρέπει οι δύο p + -n επαφές να είναι ανάστροφα πολωµένες. Στο σχήµα 1 παρουσιάζεται η δοµή ενός JFET n-διαύλου και το σύµβολό του και στο σχήµα 2 οι αντίστοιχες πληροφορίες για ένα JFET p-διαύλου. Σχήµα 1. JFET n-διαύλου: (α) δοµή, (β) σύµβολο Σχήµα 2. JFET p-διαύλου: (α) δοµή, (β) σύµβολο
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 3 Η πύλη των FET διαδραµατίζει έναν ρόλο παρόµοιο µε αυτόν της βάσης στα διπολικά τρανζίστορ επαφής µε τη διαφορά ότι η λειτουργία των διπολικών τρανζίστορ επαφής ελέγχεται από το ρεύµα βάσης ενώ η λειτουργία των FET ελέγχεται από την τάση της πύλης ενώ το ρεύµα της πύλης είναι σχεδόν µηδενικό. Το πολύ µικρό ρεύµα πύλης οφείλεται στο ότι οι επαφές p + -n σε ένα JFET n-διαύλου και οι επαφές n + -p σε ένα JFET p-διαύλου είναι ανάστροφα πολωµένες. Γεγονός που οδηγεί στο σηµαντικό συγκριτικό πλεονέκτηµα των FET έναντι των διπολικών τρανζίστορ επαφής, τη µεγάλη τους αντίσταση εισόδου. Σχήµα 3. Ανάστροφη πόλωση των δύο p + -n επαφών, το εύρος των περιοχών διακένωσης αυξάνει, το κανάλι στενεύει οµοιόµορφα. Όταν οι επαφές p + -n σε ένα JFET n-διαύλου πολωθούν ανάστροφα (υ GS <0, σχήµα 3), οι περιοχές φορτίων χώρου διευρύνονται (συγκρίνετε µε το σχήµα 1) και διεισδύουν ολοένα και περισσότερο εντός του n- τύπου υλικού όσο η υ GS αυξάνει κατ απόλυτη τιµή. Με τον τρόπο αυτό
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 4 περιορίζεται ο διαθέσιµος χώρος για κίνηση των ηλεκτρονίων. Θα υπάρξει µάλιστα κατάλληλη τιµή της τάσης, υ GS =V P (pinch off voltage), όπου οι δύο περιοχές φορτίων χώρου θα έρθουν σε επαφή και ο δίαυλος θα κλείσει εντελώς. Σχήµα 4. Εφαρµογή διαφοράς δυναµικού µεταξύ πηγής και απαγωγού. Το κανάλι στενεύει ανοµοιόµορφα λόγω της πτώσης τάσης που παρατηρείται κατά µήκος του (σχήµα 5). Αν τώρα αντί της εφαρµογής διαφοράς δυναµικού µεταξύ της πύλης και της πηγής, εφαρµοστεί διαφορά δυναµικού µεταξύ απαγωγού και πηγής (υ S >0, σχήµα 4) παρατηρούµε µια ανοµοιόµορφη διαµόρφωση του διαύλου. Η µη οµοιόµορφη διείσδυση των περιοχών φορτίων χώρου µέσα στο n-τύπου υλικό οφείλεται στο γεγονός ότι συναρτήσει της απόστασης x από την πηγή, κατά µήκος του διαύλου, το δυναµικό υ(x) δεν είναι σταθερό αλλά µεταβάλλεται όπως φαίνεται στο σχήµα 5. Η µεταβολή αυτή οφείλεται στην πτώση τάσης πάνω στην ωµική αντίσταση που παρουσιάζει το n-τύπου υλικό µεταξύ πηγής και απαγωγού. Κατά
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 5 συνέπεια η τάση ανάστροφης πόλωσης των p + -n επαφών δεν είναι σταθερή σε αυτήν την περίπτωση αλλά µεταβάλλεται µε το x: υ = υ υ( ) (1) Gx G x Αυτή η µεταβολή της ανάστροφης τάσης πόλωσης οδηγεί και σε αντίστοιχη µεταβολή του εύρους των περιοχών φορτίων χώρου εξηγώντας τη διαµόρφωση του διαύλου που παρατηρείται στο σχήµα 4. Σχήµα 5 Αύξηση του δυναµικού υ(x) σα συνάρτηση της απόστασης x από την πηγή Όσο η τάση υ S αυξάνει, τόσο οι περιοχές φορτίων χώρου µε τα τµήµατά τους που βρίσκονται κοντά στον απαγωγό πλησιάζουν µεταξύ τους (σχήµατα 6 & 7). Οι δύο περιοχές θα αγγίξουν για πρώτη φορά η µια την άλλη όταν η διαφορά δυναµικού µεταξύ πύλης και απαγωγού γίνει ίση µε το V P :
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 6 υ = (2) G VP Περαιτέρω αύξηση της υ S οδηγεί στην επέκταση της στένωσης προς την πηγή (σχήµα 7). Σχήµα 6. Οι δύο περιοχές διακένωσης εφάπτονται κοντά στον απαγωγό όταν η υ S αυξηθεί Σχήµα 7. Η στένωση επεκτείνεται προς την πηγή όταν η υ S συνεχίζει να αυξάνει
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 7 Αν παράλληλα µε τη υ S εφαρµοστεί και η αρνητική τάση υ GS (σχήµα 8), αυτή συνεπικουρεί στο γρηγορότερο ολοκληρωτικό κλείσιµο του διαύλου. Σχήµα 8. Η εφαρµογή µιας αρνητικής τάσης υ GS βοηθά στην περαιτέρω επέκταση της στένωσης του καναλιού µέχρι και την περιοχή της πηγής. Στο σχήµα 9, παρουσιάζονται λεπτοµέρειες της λειτουργίας του JFET, όπου εικονίζονται τα σταθερά φορτία των περιοχών φορτίων χώρου καθώς και η κίνηση των ηλεκτρονίων υπό την επίδραση της τάσης υ S. Το ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται εντός των περιοχών φορτίων χώρου δικαιολογεί το γεγονός της απώθησης και της παρεµπόδισης της εισόδου των ηλεκτρονίων µέσα σε αυτές.
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 8 Σχήµα 9. Παρουσίαση των φορτίων των περιοχών διακένωσης και της κίνησης των ηλεκτρονίων µέσα στο n-τύπου κανάλι. Το ηλεκτρικό πεδίο εντός των περιοχών διακένωσης απωθεί τα ηλεκτρόνια αναγκάζοντάς τα να κινηθούν µέσα στο κανάλι που στενεύει υπό την επίδραση της υ S. Μόλις ο δίαυλος κλείσει για πρώτη φορά στην περιοχή του απαγωγού (συνθήκες εξίσωσης 2) το ρεύµα που διέρχεται από αυτόν παίρνει µια τιµή που µένει σταθερή ανεξάρτητα από την περαιτέρω αύξηση της υ S, και την επέκταση της στένωσης προς τον απαγωγό (σχήµα 10) Βέβαια, σε κάποια µεγάλη τιµή της υ S αναµένεται µια απότοµη αύξηση του ρεύµατος i. Στην απότοµη αυτή αύξηση συνεισφέρει το ρεύµα της πύλης. Το ρεύµα αυτό είναι ουσιαστικά το (ανάστροφο) ρεύµα µιας ανάστροφα πολωµένης διόδου (η p + -n επαφή του JFET) όταν αυτή φτάσει στην περιοχή κατάρρευσης.
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 9 Σχήµα 10. Χαρακτηριστικές ρεύµατος-τάσης του JFET
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 10 Προσδιορισµός της τάσης στένωσης V P (Pinch off voltage) Σχήµα 11. Γεωµετρικά χαρακτηριστικά των διαφόρων περιοχών εντός του JFET. Με βάση τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά για το JFET n-διαύλου που παρουσιάζονται στο σχήµα 11 θα προσδιοριστεί η τιµή της ανάστροφης τάσης υ GS (=V P ) ώστε να κλείνει ο δίαυλος. Στην ενότητα για τις διόδους είδαµε ότι το εύρος της περιοχής διακένωσης δίδεται από την ακόλουθη έκφραση: 2ε 1 1 Wd = Wp + Wn = ( Vj + Vεξ ) + q NΑ N (3) µε δεδοµένο τώρα ότι αναφερόµαστε σε p + -n επαφη ενός JFET n- διαύλου θα ισχύει:
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 11 2ε 2ε Wd Wn ( Vj + Vεξ ) = ( Vj υgs) qn qn (4) Από τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά του σχήµατος 11 προκύπτει για το εύρος του διαύλου (εύρος καναλιού): 2ε Wch = h 2Wd = h 2 ( Vj υgs ) qn (5) Το δυναµικό V P µπορεί να προκύψει από την εξίσωση 5 αν σε αυτήν τεθεί εύρος καναλιού ίσο µε µηδέν και εξ ορισµού υ GS = V P : 2ε Wch = 0 h= 2 ( Vj VP ) qn (6) Λύνοντας την (6) ως προς V P προκύπτει: V P 2 2 = hqn hqn Vj 8ε + 8ε (7) όπου απαλείφθηκε το δυναµικό V j της επαφής µε ανοικτούς ακροδέκτες επειδή είναι σηµαντικά µικρότερο από τον πρώτο όρο του αθροίσµατος. Αντικαθιστώντας την έκφραση για το V P από την εξίσωση 7 στην εξίσωση 5, προκύπτει για το εύρος του διαύλου η ακόλουθη έκφραση: 2 8ε h Wch = h ( Vj υgs ) = h ( Vj υgs ) qn V P W ch = h 1 υ GS V V P j (8)
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 12 Ωµική συµπεριφορά του JFET για µικρές τιµές της υ S. Για µικρές τιµές της υ S, της τάξης µερικών δεκάδων µέχρι περίπου και δύο εκατοντάδες mv, µπορεί να θεωρηθεί ότι η διαµόρφωση που υφίσταται ο δίαυλος (το κανάλι) λόγω της πτώσης τάσης στο σώµα του είναι αµελητέα και η εικόνα του είναι παρόµοια µε αυτήν του σχήµατος 11, όπου υ S =0. Σε µια τέτοια περίπτωση, αν l είναι το µήκος του διαύλου (καναλιού), w το εύρος του (κάθετα στη σελίδα ) και ρ η ειδική αντίσταση του n-τύπου πυριτίου, η διατοµή του καναλιού θα είναι S=w W ch και η ωµική του αντίσταση r (=ρ l/s) θα γράφεται µε τη βοήθεια της (εξ. 8) ως: r l l l = ρ = ρ = ρ S ww υ V wh 1 VP ch GS j (9) Παρατηρούµε δηλαδή ότι για µικρές τιµές της υ S, το JFET συµπεριφέρεται σαν ωµική αντίσταση ελεγχόµενη από τάση, r = r(υ GS ). Με δεδοµένο τώρα ότι σύµφωνα µε το νόµο του Ohm ισχύει: r υ = i S (10) µπορεί από το συνδυασµό των εξισώσεων 9 και 10 να εξαχθεί η ακόλουθη έκφραση που δίνει το ρεύµα i συναρτήσει της τάσης υ S, για µικρές τιµές της υ S : i υgs V j wh 1 1 VP = υ r = υ (11) ρ l S S
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 13 η οποία λαµβάνοντας υπόψη ότι υ και GS V j ρ = 1 qn µ n (µ n η ευκινησία των ηλεκτρονίων) γράφεται: i qn µ wh υ = 1 l V n GS P υ S (12) Χαρακτηριστική µεταφοράς του JFET. Πρόκειται για τη σχέση µεταξύ του ρεύµατος i του JFET και της τάσης υ GS που ελέγχει τη λειτουργία του, όταν το τρανζίστορ λειτουργεί πέρα από το pinch off. Όταν δηλαδή το ρεύµα µέσα στο δίαυλο έχει αποκτήσει σταθερή τιµή ανεξάρτητη της υ S. Η περιοχή αυτή ονοµάζεται και περιοχή ρεύµατος κόρου (current-saturation region). Πειραµατικά έχει επιβεβαιωθεί η ακόλουθη εµπειρική παραβολική έκφραση: υ i = is = ISS V 1 GS P 2 (13) όπου ο διπλός δείκτης στο ρεύµα τέθηκε για να χαρακτηρίσει την κατάσταση κόρου (saturation). Η χαρακτηριστική αυτή είναι εν γένει συνάρτηση του υ S, αλλά η µεταβολή που παρουσιάζει συναρτήσει του υ S είναι µικρή. Η χαρακτηριστική µεταφοράς του JFET επιτελεί ρόλο αντίστοιχο προς τη χαρακτηριστική ρεύµατος βάσης τάσης υ ΒΕ του διπολικού τρανζίστορ επαφής. Η τιµή ρεύµατος I SS εκφράζει το ρεύµα κόρου του JFET όταν η πύλη βραχυκυκλώνεται µε την πηγή (υ GS =0).
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 14 Η οριογραµµή έναρξης της στένωσης του διαύλου. Η οριογραµµή αυτή είναι η παραβολική καµπύλη που παρουσιάζεται µε κόκκινο χρώµα στις χαρακτηριστικές του σχήµατος 10. Ουσιαστικά καταδεικνύει τις θέσεις επί των χαρακτηριστικών όπου ξεκινά ο δίαυλος να κλείνει. Εκεί δηλαδή όπου ισχύει: υ = V υ = V + υ (14) G P GS P S Θέτοντας την τιµή του υ GS από την εξίσωση 14 στην εξίσωση 13 ουσιαστικά είναι σαν να εντοπίζουµε σε κάθε χαρακτηριστική i υ S το ξεκίνηµα της περιοχής κόρου και να ενώνουµε µεταξύ τους όλα αυτά τα σηµεία για να προκύψει η ακόλουθη παραβολή: i = I V SS 2 P υ 2 S (15) Το JFET σε κατάσταση αποκοπής cut-off. Αυτό θα συµβεί όταν ο δίαυλος κλείσει εντελώς, δηλαδή όταν το υ GS γίνει αρνητικότερο του V P. Θεωρούµε τότε ότι το ρεύµα στο JFET µηδενίζεται παρόλο που και σε αυτές τις συνθήκες ρέει ένα πολύ µικρό ρεύµα, i,off, της τάξης των µερικών na.
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 15 Το JFET ως ενισχυτής. Στο σχήµα που ακολουθεί παρουσιάζεται µια τυπική συνδεσµολογία για λειτουργία του FET ως ενισχυτή. Όταν ο πυκνωτής C S χρησιµοποιείται η τιµή της χωρητικότητάς του είναι τέτοια ώστε η AC συνιστώσα του ρεύµατος (I (AC) ) να διέρχεται από αυτόν και η C συνιστώσα (I ) να διέρχεται µέσω της R S. Σχήµα 12. Το JFET σε συνδεσµολογία ενισχυτή Για τον προσδιορισµό της C- ευθείας φόρτου λαµβάνεται υπόψη ο 2 ος κανόνας του Kirchhoff στο κύκλωµα εξόδου. V = IR + VS + IRS I V = + R + R R + R (16) 1 VS S S
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 16 Η εξίσωση 16 εκφράζει τη C-ευθεία φόρτου. Τα σηµεία τοµής της ευθείας φόρτου µε τους άξονες των χαρακτηριστικών i υ S (σχήµα 13) είναι τα ακόλουθα: I V ( VS = 0) = R R + (17a) S V ( I = 0) = V (17b) S Σχήµα 13. Προσδιορισµός του σηµείου λειτουργίας του κυκλώµατος του σχήµατος 12. Η χαρακτηριστική µεταφοράς και οι χαρακτηριστικές ρεύµατος-τάσης του JFET έχουν κοινό άξονα τεταγµένων.
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 17 Η κλίση της ευθείας φόρτου είναι R 1 + R (18) S Για το κύκλωµα εισόδου ισχύει: VGS + IRS = VG 0 I 1 = R S V GS (19) Η εξίσωση 19 παριστάνει µια ευθεία που διέρχεται από την αρχή των αξόνων στο διάγραµµα της χαρακτηριστικής µεταφοράς (αριστερό τµήµα του σχήµατος 13) και έχει κλίση -1/R S. Το σηµείο τοµής αυτής της ευθείας µε τη χαρακτηριστική µεταφοράς θα καθορίσει και το σηµείο λειτουργίας (σηµείο ηρεµίας) Q του κυκλώµατος. Στο σχήµα 14 παρουσιάζεται µέσω γραφικής παράστασης ο τρόπος δράσης του JFET ως ενισχυτή. Το JFET λειτουργεί σε κατάσταση κόρου και µια µικρή τάση εισόδου, υ i, στην πύλη του τρανζίστορ οδηγεί σε µια µεγαλύτερη τάση εξόδου, υ ο. Το γεγονός ότι οι χαρακτηριστικές i υ S µετακινούνται ανοµοιόµορφα, µη γραµµικά, συναρτήσει της υ GS, µπορεί να οδηγήσει σε παραµόρφωση του σήµατος όταν η υ GS µεταβάλλεται σε µεγάλο εύρος τιµών.
Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 18 Σχήµα 14. Σχηµατική εξήγηση της λειτουργίας του JFET ως ενισχυτή. Μια µικρή µεταβαλλόµενη τάση υ GS στην είσοδο οδηγεί στη δηµιουργία µιας µεγαλύτερης τάσης υ S στην έξοδο. Το σήµα εξόδου παρουσιάζεται παραµορφωµένο επειδή οι χαρακτηριστικές ρεύµατος-τάσης δε µετατοπίζονται οµοιόµορφα σε ίσες µεταβολές της υ GS (Συγκρίνετε την απόσταση µεταξύ των χαρακτηριστικών που αντιστοιχούν σε υ GS -4V και -3V µε την απόσταση των χαρακτηριστικών που αντιστοιχούν σε υ GS -1V και 0V ).