12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 1 12. ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET) Tρανζίστορ στο οποίο το ρεύµα εξόδου ελέγχεται όχι από το ρεύµα αλλά από την τάση εισόδου. Αρχή λειτουργίας (gate) (drain) (source) ίαυλος τύπου Ν Ρ Πόλωση ενός FET διαύλου τύπου Ν Kυρίως σώµα: δίαυλος. Με δηµιουργείται ροή ρεύµατος. : πολώνει ανάστροφα την πύλη ως προς την πηγή και την υποδοχή.
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 2 Η ανάστροφη πόλωση (τάση φραγµού) δηµιουργεί µία περιοχή αραίωσης γύρω από το υλικό τύπου Ρ της πύλης, η οποία περιορίζει ή και µηδενίζει το ρεύµα που µπορεί να ρέει από την υποδοχή προς την πηγή. Κατηγορίες FET Υπάρχουν κυρίως δύο κατηγορίες FET 1. Τα JFET (Junction Field Effect Transistor) 2. Τα MOFET (Metal Oxide emiconductor FET) Το JFET Στον δίαυλο υπάρχουν δύο τµήµατα ηµιαγωγού τύπου Ρ τα οποία συνδέονται στην πύλη. Η δυνατότητα ρύθµισης της ροής του ρεύµατος είναι ευκολότερη απ ότι στο απλό FET. (drain) (gate) Ρ ίαυλος τύπου Ν (source) Ρ οµή και πόλωση ενός JFET διαύλου τύπου Ν
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 3 Συµβολισµός του JFET ίαυλος () () () JFET διαύλου τύπου Ν Παράµετροι και χαρακτηριστικές καµπύλες του JFET Εάν η πύλη συνδεθεί απ ευθείας στην πηγή και η τάση της πηγής (άρα και της ) αρχίζει να αυξάνει, το ρεύµα I θα αρχίσει να αυξάνει ανάλογα από τα 0 µέχρι το σηµείο Α όπως φαίνεται για τη χαρακτηριστική µε =0. Το κοµµάτι αυτό της χαρακτηριστικής ονοµάζεται ωµικό. Μετά το σηµείο Α το ρεύµα I διατηρείται σταθερό. I R () JFET µε =0 () () JFET διαύλου τύπου Ρ Ηλεκτρονικός συµβoλισµός του JFET
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 4 Τάση σύσφιγξης P (Pinch-off voltage) Η τιµή της τάσης για την οποία το ρεύµα I λαµβάνει σταθερή τιµή ονoµάζεται τάση σύσφιγξης (pinch-off voltage), συµβολίζεται µε P και µετριέται πάντα για =0. Η τιµή αυτή για την πρώτη χαρακτηριστική ( =0 ) αντιστοιχεί στο σηµείο Α. =1 Εάν τώρα εφαρµοστεί µια ανάστροφη τάση 1 µεταξύ πύληςπηγής και µεταβληθεί η (άρα και η ) θα υπάρχει µια άλλη µεταβολή του ρεύµατος I και φυσικά µια άλλη χαρακτηριστική καµπύλη. Έτσι για διάφορες τιµές της τάσης (πχ -2, -3 κλπ) θα υπάρχουν και οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές. Τάση αποκοπής (αποκ) (Cutoff voltage) Η τιµή της τάσης για την οποία µηδενίζεται το ρεύµα I ονοµάζεται τάση αποκοπής (αποκ). R JFET µε = 1
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 5 Σχέση µεταξύ των τάσεων σύσφιγξης P και αποκοπής (αποκ) Οι τιµές των τάσεων σύσφιγξης P και αποκοπής (αποκ) στα JFET είναι ίσες και αντίθετες. Οι κατασκευαστές δίνουν συνήθως µια τιµή από τις δύο. Η άλλη είναι η ίδια µε αντίθετο όµως πρόσηµο, πχ εάν (αποκ) = 4, τότε P =4. I max 40 30 20 10 Περιοχή λειτουργίας του JFET 0 I 0 B A P για =-1 P I : ρεύµα υποδοχής : τάση υποδοχής -πηγής : τάση πύλης-πηγής =0 = 1 = 2 = (αποκ) 5 10 15 20 Χαρακτηριστικές καµπύλες πύλης JFET Τα JFET πρέπει να λειτουργούν στην περιοχή που ορίζεται ανάµεσα στις καµπύλες που αντιστοιχούν σε τάσεις =0 και (αποκ). Στην περίπτωση αυτή το ρεύµα I θα µεταβάλλεται από τη µέγιστη τιµή του I max µέχρι την ελάχιστη που είναι σχεδόν 0.
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 6 Παράδειγµα Η µέγιστη τιµή του ρεύµατος I του κυκλώµατος είναι I max =12 ma. Είναι επίσης (αποκ) =-4 και R =560 Ω. Να υπολογιστεί η ελάχιστη τιµή της τάσης για την οποία το ρεύµα I λαµβάνει σταθερή τιµή. Λύση Σύµφωνα µε όσα έχουν αναφερθεί παραπάνω είναι - (αποκ) = P =4.H ελάχιστη εποµένως τιµή της τάσης για την οποία το ρεύµα I λαµβάνει σταθερή τιµή είναι = min P = 4 Η µέγιστη τιµή του ρεύµατος I max αντιστοιχεί σε =0 που είναι και η περίπτωση του κυκλώµατος. Άρα θα είναι = I max R min min = 4 (12 ma 560 Ω) = 10,7 R
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 7 Αντίσταση εισόδου του JFET Η αντίσταση εισόδου R in ενός JFET είναι η αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή πύλης-πηγής όταν αυτή πολωθεί ανάστροφα. Η αντίσταση αυτή λόγω της ανάστροφης πόλωσης είναι πολύ µεγάλη και oρίζεται σαν το µέτρο του πηλίκου της τάσης πόλωσης πύλης-πηγής (gate-source voltage) και του ανάστροφου ρεύµατος πύλης (gate reverse current) I, που αυτή προκαλεί. ηλ. είναι R = in I Παράδειγµα Να υπολογιστεί η αντίσταση εισόδου R in του τρανζίστορ FET 2N5458 από το φύλλο δεδοµένων του τρανζίστορ που δίνεται σε παρακάτω κεφάλαιο. Λύση Βλέπουµε ότι στο φύλλο δεδοµένων του τρανζίστορ 2N5458 αναφέρεται ότι η µέγιστη τιµή του ανάστροφου ρεύµατος πύλης I σε θερµοκρασία περιβάλλοντος (Τ Α =25 0 C), για τάση = 15, είναι 1 nα. Άρα είναι R 15 1 na in = = = I 15.000 MΩ
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 8 Φύλλα δεδοµένων (data sheet) κατασκευαστή για JFET Στον πίνακα ισχύει: I I max και (off) (αποκ). Κυκλώµατα πόλωσης του JFET
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 9 Ο γενικός κανόνας που ακολουθείται στα κυκλώµατα πόλωσης είναι: «η πόλωση πύλης-πηγής είναι ανάστροφη». Κυκλώµατα αυτοπόλωσης Η αυτοπόλωση δηµιουργείται λόγω της αντίστασης R. H R δεν επηρεάζει το δυναµικό της πύλης που είναι 0. Ο ρόλος της θα εξηγηθεί σε επόµενο κεφάλαιο. Το ρεύµα I προκαλεί µια πτώση τάσης στην αντίσταση R που R I =0 I R R (α) ιαύλου τύπου Ν καθιστά την πηγή θετικότερη από την πύλη που έχει δυναµικό 0. Είναι = = IR. Επειδή όµως είναι = 0 και I = I η προηγούµενη σχέση γίνεται = =. R =0 Κυκλώµατα αυτοπόλωσης JFET 0 I I - R R (β) ιαύλου τύπου Ρ I R I R
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 10 Για το ίδιο σχήµα ισχύει =. Επειδή όµως = I R και = I R θα είναι και = Για (β) ισχύει I (R = = ( I R ) = και επειδή είναι =. I R R ) = θα είναι και 0 και I = Παράδειγµα Να υπολογιστούν οι τάσεις και του κυκλώµατος. Λύση R 10 ΜΩ I 5 ma =0 15 R 1 kω R 220 Ω I I R
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 11 = IR = 5 ma 220 = 1,1 I R = 15-5 ma 1 kω = 15-5 Είναι = = Άρα θα είναι Είναι επίσης = = 10-1,1 8,9 = = 0 1,1 = 1,1 = Κύκλωµα πόλωσης µε διαιρέτη τάσης R2 = R =. 2 R1 R2 Είναι επίσης = IR και επειδή I = I θα είναι και = IR άρα I =. R Είναι = = R R I I R R Κύκλωµα πόλωσης JFET µε διαιρέτη τάσης 10
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 12 άρα και I = R Παράδειγµα Για το κύκλωµα : =12, R 1 =6,8 MΩ, R 2 =1 MΩ, R =3,3 kω, R =2,2 kω και =7. Να υπολογιστεί το ρεύµα I και η τάση. Λύση Είναι 12 7 I = = = R 3,3 kω είναι =. Επειδή 1,52 mα. Επίσης R2 1 MΩ = = 12 = 1,54 R1 R2 7,8 ΜΩ και = IR = 1,52 ma 2,2 kω = 3,34 θα είναι = = 1,54 3,34 = 1,8 όµως
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 13 Ενισχυτής JFET Η αντίσταση R που δηµιουργεί την αυτοπόλωση δηµιουργεί και αρνητική ανάδραση που µπορεί όµως να µειωθεί σηµαντικά µε τον πυκνωτή C. v in C in R =0 Το σήµα εισόδου v in προκαλεί µεταβολές στην τάση πύλης-πηγής, που µεταφέρονται στο ρεύµα υποδοχής I που διαρρέει την αντίσταση R. Οι µεταβολές της αντίστασης R προκαλούν αντιστρόφως ανάλογες µεταβολές στο δυναµικό της υποδοχής που µεταφέρονται στην έξοδο σαν σήµα εξόδου v out. Ανάλογα φαινόµενα συµβαίνουν και στον ενισχυτή κοινού εκποµπού (CE) των διπολικών τρανζίστορ. R R C out v out C Ενισχυτής JFET µε κύκλωµα αυτοπόλωσης
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 14 Tο MOFET Το MOFET διαφέρει από το JFET στο ότι η δοµή του δεν περιέχει καµία επαφή Ρ-Ν γιατί η πύλη είναι αποµονωµένη από το κανάλι από ένα στρώµα διοξειδίου του πυριτίου (io 2 ). Στρώµα αποµόνωσης io 2 (drain) (gate) Ρ ίαυλος τύπου Ν (source) Σχ. 11.13. MOFET διαύλου τύπου Ν Υπάρχουν δύο είδη MOFET: 1. το MOFET τύπου αραίωσης (deplation MOFET) 2. και το MOFET τύπου πύκνωσης (enhancement MOFET) MOFET τύπου αραίωσης ή -MOFET Είναι το είδος του MOFET που περιγράφτηκε παραπάνω, µε το στρώµα αποµόνωσης γύρω από την πύλη. Η πόλωση πύλης-πηγής εδώ είναι ανάστροφη όπως στο JFET.
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 15 ίαυλος () () () διαύλου τύπου Ν () () () διαύλου τύπου Ρ Ηλεκτρονικός συµβoλισµός του MOFET τύπου αραίωσης MOFET τύπου πύκνωσης ή Ε-MOFET Υπάρχει το στρώµα αποµόνωσης γύρω από την πύλη. Η διαφορά του από το -MOFET είναι ότι το τµήµα της πύλης είναι πολύ µεγαλύτερο σε όγκο µε συνέπεια το φράγµα δυναµικού που δηµιουργείται να είναι πολύ µεγάλο εµποδίζοντας τη ροή φορέων από την πηγή στην υποδοχή. Ρεύµα στην υποδοχή δηµιουργείται µόνο όταν εφαρµοστεί µια αρκετά µεγάλη ορθή πόλωση µεταξύ πύλης-πηγής. ίαυλος () () () διαύλου τύπου Ν () () () διαύλου τύπου Ρ Ηλεκτρονικός συµβoλισµός του MOFET τύπου πύκνωσης
12. ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΠΕ ΙΟΥ (FET)-Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ ιαφάνεια 16 Πίνακας Α. ιαφορές FET µε διπολικά τρανζίστορ FET Ελέγχεται από τάση Οι φορείς του αποτελούνται και από οπές και από ηλεκτρόνια Πολύ µεγάλη αντίσταση εισόδου Μεγαλύτερη σταθερότητα στις µεταβολές της θερµοκρασίας Έχουν µικρότερη ενίσχυση τάσης αλλά µεγαλύτερη ενίσχυση ισχύος ιπολικό Ελέγχεται από ρεύµα Οι φορείς του αποτελούνται ή από οπές ή από ηλεκτρόνια, όχι όµως και από τα δύο Σχετικά µικρή αντίσταση εισόδου Λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες