..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale 5 TRANZITORUL CU EFECT E CÂMP 5.1 Clasificare Tranzistorul cu efect e câmp (TEC) este un tranzistor unipolar pentru că în interiorul lui conucţia electrică este asigurată e un canal semiconuctor cu un singur tip e purtători e sarcină: fie electronii, fie golurile. e numesc cu efect e câmp eoarece intensitatea curentului între ouă terminale este controlată e potenţialul câmpului electric generat e un al treilea terminal. e aceea tranzistorul cu efect e câmp este un element activ comanat în tensiune. Există mai multe tipuri e tranzistori cu efect e câmp. În fig.5.1 este prezentată o clasificare a acestora. TEC TECJ TECMO Canal-p Canal-n cu canal initial cu canal inus Canal-p Canal-n Canal-p Canal-n Fig.5.1 Tranzistorii cu efect e câmp sunt e ouă tipuri: tranzistori cu efect e câmp cu joncţiune (TECJ) şi tranzistori cu efect e câmp metal-oxi-semiconuctor (TECMO). Uneori TECMO-ul mai este enumit tranzistor cu efect e câmp cu poartă izolată. Fiecare intre cele ouă categorii poate fi cu canal e tip n sau e tip p, cele ouă tipuri fiin complementare atât ca structură internă cât şi ca funcţionare. 5.2 Tranzistorul cu efect e câmp cu joncţiune (TECJ) 5.2.1 tructură, funcţionare, caracteristici statice tructura internă unui TECJ cu canal n este prezentată schematic în fig.5.2. Pe fiecare faţă a unei plăcuţe semiconuctoare e tip n se realizează câte o zonă puternic opată e tip p +. Pe cele ouă zone şi pe capetele plăcuţei 83
5 Tranzistorul cu efect e câmp semiconuctoare se realizează patru contacte electrice. Cele ouă zone e tip p + sunt conectate electric între ele formân grila sau poarta tranzistorului (). Terminalele in capetele plăcuţei semiconuctoare se numesc sursă () şi respectiv renă (). poarta (grila) sursa rena n p + Fig.5.2 În fig.5.3a este arătată funcţionarea tranzistorului cu polarizarea renei ar fără polarizarea porţii. În vecinătatea joncţiunii există o regiune sărăcită e purtători e sarcină ca urmare a ifuziei electronilor şi golurilor. eoarece zona p + este puternic opată, regiunea sărăcită se extine mai mult în zona n. Între renă şi sursă va exista un canal prin care purtătorii majoritari (electronii) vor putea circula sub influenţa iferenţei e potenţial intre renă şi sursă, ân naştere curentului e renă, I. atorită faptului că polarizarea inversă a joncţiunii este mai mare în regiunea in apropierea renei ecât în regiunea in apropierea sursei, canalul se îngustează uşor înspre renă. E regiune saracita I regiune saracita I Fig.5.3 Moul normal e funcţionare a unui TECJ este cu poarta polarizată invers faţă e sursă şi renă (în cazul unui TECJ-n, ea este polarizată negativ, fig.5.3b). Regiunea sărăcită e purtători e sarcină se extine în imensiuni oată cu creşterea polarizării inverse a joncţiunii pn. Conuctibilitatea electrică a porţiunii in regiunea e tip n care este sărăcită 84 E a R E b R
..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale e purtători e sarcină este foarte mică. Pentru o iferenţă e potenţial fixă între renă şi sursă, cu cât este mai mare polarizarea inversă poartă-sursă cu atât regiunea sărăcită este mai mare, canalul este mai îngust şi curentul e renă este mai mic. epenenţa curentului e renă e tensiunea intre poartă şi sursă este prezentată în fig.5.4a. Ea este şi caracteristica e transfer a tranzistorului, mărimea e intrare fiin tensiunea U, iar cea e ieşire fiin curentul care circulă prin canal, I. Intensitatea curentului care circulă prin canal poate fi controlată şi e iferenţa e potenţial intre renă şi sursă. O familie e caracteristici I =I (U ) este prezentată în fig.5.4b. Privin o singură caracteristică, pentru o valoare ată a tensiunii U, se poate observa că la valori mici ale tensiunii U tranzistorul se comportă ca o rezistenţă ohmică, epenenţa I =I (U ) fiin liniară. La tensiuni U mai mari se constată o limitare a curentului e renă, el rămânân aproape constant pe o plajă largă a tensiunii U. U sat =-U T U = 0 3 U = const. I U 2 U I U 1 U T a U I 0 tensiuni U sat U 3 U 2 U 1 U 0 U U = -UT b Fig.5.4 Explicaţia acestei treceri în regim e saturaţie a tranzistorului poate fi ată observân îngustarea canalului în fig.5.3b. Pentru o valoare ată a tensiunii U volumul ocupat e regiunea sărăcită este aproape inepenent e tensiunea U, ar forma ei nu. Cu cât căerea e tensiune între renă şi sursă creşte, câmpul electric în irecţia longituinală creşte (V - V < V - V ), cauzân eformarea regiunii sărăcite. atorită acestei eformări, la o anumită valoare a tensiunii U, numită tensiune renă-sursă e saturaţie, U sat, canalul conuctor se va îngusta atât e mult înspre renă încât intensitatea curentului e renă va fi limitată la valoarea e saturaţie. Aceasta corespune porţiunii plate, aproape orizontale, a caracteristicii I =I (U ). La tensiuni e polarizare a canalului mai mari, poate avea loc străpungerea lui atorită multiplicării în avalanşă a purtătorilor e sarcină. 85
5 Tranzistorul cu efect e câmp Ca urmare, rezistenţa semiconuctorului scae brusc iar curentul e renă nu mai poate fi limitat ecât e rezistenţa in circuitul exterior e polarizare. Forma canalului, şi implicit intensitatea curentului prin el, pot fi controlate şi cu ajutorul tensiunii U. Crescân tensiunea e negativare U a porţii, curentul e renă escreşte şi, pentru o valoare suficient e mare a acesteia, se prouce întreruperea canalului şi blocarea tranzistorului. Această tensiune se numeşte tensiune e blocare sau e tăiere şi am notato cu U T. Caracteristica I = I (U ) este prezentată în fig.5.4a. Făcân legătura intre o mărime e intrare şi una e ieşire, ea reprezintă şi caracteristica e transfer a tranzistorului, avân expresia analitică: 2 U = 1 I I (5.1) U T une I este curentul e renă e saturaţie pentru U = 0 şi U sat = U = -U T. upă cum am văzut, aucerea tranzistorului în regim e saturaţie se poate face în ouă mouri: menţinân constant potenţialul porţii şi crescân potenţialul renei faţă e sursă sau menţinân constant potenţialul renei şi crescân negativarea porţii faţă e sursă. Într-o situaţie oarecare, pentru ca tranzistorul să ajungă în regim e saturaţie, efectul cumulat al celor ouă iferenţe e potenţial trebuie să fie echivalent cu efectul tensiunii e blocare. Astfel, se poate scrie relaţia: U sat = U U (5.2) T Pe lângă tensiunea e blocare se mai efinesc alţi oi parametri ai tranzistorului cu efect e câmp, parametri necesari în proiectarea circuitelor electronice (amplificatoare, oscilatoare etc.): panta e semnal mic (transconuctanţa) şi rezistenţa e ieşire (sau rezistenţa e renă) în vecinătatea punctului static e funcţionare, efinite e relaţiile: g I m = U (5.3) U = const. r U = I (5.4) U = const. în care U, U şi I se calculează conform fig.5.4. 86
..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale in moul e funcţionare internă a unui TECJ şi in aspectul familiei e caracteristici statice I = I (U ) putem observa existenţa a trei regiuni e lucru posibile: regiunea liniară in vecinătatea originii în care rezistenţa canalului este constantă. e regulă, acest lucru se petrece la tensiuni renă-sursă mai mici e 0,5V. regiunea e saturaţie în care curentul e renă creşte foarte puţin la valori U >U sat. regiunea e străpungere în care are loc multiplicarea în avalanşă a purtătorilor e sarcină, creşterea curentului e renă fiin limitată oar e rezistenţa in circuitul e polarizare. Precizări importante: eoarece joncţiunea este polarizată invers curentul e poartă este foarte mic ( I na ) şi rezistenţa e intrare a tranzistorului este 11 foarte mare ( r gs 10 10 Ω ). în regim e funcţionare normal joncţiunea este polarizată invers. Tranzistorul poate lucra şi cu joncţiunea polarizată irect ar nu la tensiuni U > 0,5V. acă nu se respectă această coniţie tranzistorul se va istruge. Tranzistorul cu joncţiune cu canal e tip p (TECJ - p) are structura complementară unui TECJ n, conucţia electrică prin canal fin asigurată e goluri. Aceasta implică polarizarea negativă a renei faţă e sursă şi polarizarea pozitivă a grilei faţă e sursă. În consecinţă, familia e caracteristici I = I (-U ) este ientică cu a unui TECJ n iar graficul epenenţei I = I (U ) este reprezentat în oglină faţă e cazul unui TECJ n (fig.5.5). imbolurile folosite în schemele electronice pentru TECJ sunt prezentate în fig.5.6. 15 I U = const. 0 Fig.5.5 U T U TECJ - n TECJ - p Fig.5.6 87
5 Tranzistorul cu efect e câmp 5.2.2 Polarizarea în curent continuu Polarizarea în curent continuu pentru stabilirea punctului static e funcţionare a unui TECJ se poate face în ouă mouri: cu ivizor e tensiune în bază cu poarta conectată la masă prin intermeiul unei rezistenţe O schemă e polarizare cu ivizor e tensiune în bază este prezentată în fig.5.7. +E +E R 1` R R I I = 0 I U I I U I = 0, V = 0 U I I U R 2 R s R g R s Fig.5.7 Fig.5.8 Neglijân contribuţia curentului e poartă, ecuaţiile utile pentru calcularea valorilor rezistenţelor sunt următoarele: ( ) E = I R 1 + R 2 (5.5) E = I R + U + I R (5.6) I = I (5.7) IR + s 2 = U I Rs (5.8) Practic, valorile rezistenţelor R 1 şi R 2 sunt e orinul MΩ, iar cele ale rezistenţelor R şi R s e orinul kω. chema e polarizare în curent continuu cu poarta conectată la masă este cea in fig.5.8. atorită intensităţii neglijabile a curentului e poartă, potenţialul acesteia este egal cu cel al masei, la care este conectată printr-o rezistenţă foarte mare (MΩ). Astfel, la ecuaţiile (5.6) şi (5.7) pe care le-am mai scris câteva rânuri mai sus, se mai aaugă ecuaţia 88
..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale U = I R (5.9) s şi expresia curentului e renă (5.1), care escrie caracteristica voltamperică in circuitul e poartă. 2 U = 1 I I (5.1) U T Ecuaţia (5.9) reprezintă reapta e sarcină pentru circuitul e intrare. acă ea se înlocuieşte în ecuaţia (5.1) se obţine o ecuaţie e graul oi, cu necunoscuta I. intre cele ouă soluţii ale ei, va fi reţinută oar cea care are sens in punct e veere fizic, aică cea care reprezintă intersecţia intre reapta e sarcină şi ramura reală a parabolei escrise e ecuaţia (5.1), aşa cum este arătat în fig.5.9. solutia falsa reapta e sarcina solutia cu sens fizic PUNCT TATIC E FUNCTIONARE Fig.5.9 0 U Vom exemplifica cele afirmate mai sus pe un exemplu practic. Într-un circuit e polarizare cu poarta conectată la masă am ales pentru rezistenţele R g şi R s valorile: R g = 1MΩ şi R s = 250Ω. Tranzistorul are ca parametri caracteristici I = 9mA şi U T = -3V, iar tensiunea e alimentare este E = 16V. e cere să se calculeze valoarea maximă a rezistenţei R astfel încât tranzistorul să lucreze în regim e saturaţie. Pentru simplitate vom lucra cu valori numerice, exprimân rezistenţele în kω, tensiunile în V şi curenţii în ma. Înlocuin valoarea numerică a rezistenţei R s în ecuaţia (5.9) şi introucân expresia tensiunii U astfel obţinută în ecuaţia (5.1), obţinem o ecuaţie e graul oi cu necunoscuta I : I 2 40I + 144 = 0 89
5 Tranzistorul cu efect e câmp Rezolvarea acestei ecuaţii conuce la soluţiile I 1 = 36mA şi I 2 = 4mA, care reprezintă cele ouă puncte e intersecţie ale reptei e sarcină cu graficul matematic al caracteristicii volt-amperice a circuitului e poartă. upă cum se poate constata in fig.5.9, soluţia cu sens fizic este cea e a oua, eci I = 4mA. Introucân această valoare în ecuaţia (5.9) se obţine pentru tensiunea e poartă: U = 4 0,25 = 1V in ecuaţia (5.2) se obţine pentru tensiunea e saturaţie intre renă şi sursă valoarea: U sat = -1- (-3) = 2V Aceasta înseamnă că, pentru ca tranzistorul să lucreze în regim e saturaţie, trebuie ca U > U sat = 2V. Tensiunea U poate fi exprimată in ecuaţiile (5.6) şi (5.7) în funcţie e rezistenţa R, punân coniţia preceentă: 15 4R >2 e une rezultă imeiat: R < 3,25 kω Cu alte cuvinte, pentru orice valoare a rezistenţei in rena tranzistorului cuprinsă în intervalul 0 3,25kΩ, tranzistorul va lucra în regim e saturaţie. 5.3 TECMO cu canal iniţial - sursa n + - grila (poarta) METAL OXI (io 2 ) p substrat - rena E n + n + n + p canal ingustat B - baza a canal initial n Fig.5.10 b B 90
..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale tructura schematică a unui TECMO cu canal iniţial e tip n este prezentată în fig.5.10a. e poate observa că poarta este izolată e structura pn printr-un strat izolator e io 2. in fabricaţie, între sursă şi renă (zone e tip n puternic opate) există un canal conuctor tot e tip n, astfel încât, chiar şi atunci cân poarta nu este polarizată, la stabilirea unei iferenţe e potenţial între renă şi sursă, prin canal va trece un curent nenul. ecţiunea transversală a canalului poate fi moificată prin aplicarea unui potenţial pe poartă. e regulă, terminalul conectat la substrat (care se numeşte bază) se conectează la terminalul sursei, astfel încât sursa şi substratul vor avea acelaşi potenţial. acă iferenţa e potenţial intre poartă şi sursă este negativă, atunci canalul se îngustează (electronii in el sunt alungaţi în substrat) şi rezistenţa lui creşte. e spune espre tranzistor că lucrează în regim e sărăcire (fig.5.10b). acă iferenţa e potenţial intre poartă şi sursă este pozitivă, atunci canalul se lărgeşte (electroni in substrat sunt atraşi în canal) şi rezistenţa lui scae. e spune espre tranzistor că lucrează în regim e îmbogăţire. Caracteristicile volt-amperică e transfer şi e ieşire pentru un TECMO cu canal iniţial e tip n au aceeaşi alură ca şi cele ale unui TECJn (fig.5.4), explicaţia formei lor fiin analogă cu cea pentru TECJ-n. tructura internă a unui TECMO cu canal iniţial e tip p este complementară structurii unui TECMO cu canal iniţial e tip n iar caracteristicile volt-amperice sunt asemănătoare celor ale unui TECJ-p. În fig.5.11 sunt prezentate simbolurile pentru tranzitorii MO cu canal iniţial. B B TECMO cu canal inital n 5.4 TECMO cu canal inus Fig.5.11 TECMO cu canal inital p Tranzitorii MO cu canal inus au o structură asemănătoare cu tranzistorii MO cu canal iniţial, cu eosebirea că între sursă şi renă nu există canalul conuctor in fabricaţie. În fig.5.12a este prezentată structura unui TECMO cu canal inus e tip n. 91
5 Tranzistorul cu efect e câmp - sursa n + - grila (poarta) METAL OXI (io 2 ) n + - rena n + E canal n inus n + p substrat p B - baza B a Fig.5.12 Ca şi în cazul TECMO cu canal iniţial, terminalul substratului (baza) se conectează la terminalul sursei, astfel încât sursa şi substratul vor avea acelaşi potenţial. Atunci cân poarta nu este polarizată, între sursă şi renă nu apare nici un curent (în realitate apare un curent reziual extrem e mic, e orinul zecilor e µa). La aplicarea pe poartă a unui potenţial pozitiv faţă e sursă, golurile majoritare in substrat sunt respinse înspre zona meiană a acestuia şi între sursă şi renă se formează un canal cu purtători minoritari e tip n (fig.5.12b). Pentru tensiuni mici e pozitivare a porţii, canalul este tot izolator şi curentul e renă va fi nul iniferent e potenţialul ei faţă e sursă. Pentru o tensiune e pozitivare mai mare ecât tensiunea e blocare (U T ) canalul se va îmbogăţi cu purtători minoritari (electroni), el constituin o cale e curent între sursă şi renă. Caracteristicile e transfer şi e ieşire ale TECMO cu canal inus n sunt prezentate în fig.5.13 b U = const. U U T 0 U 0 U a b Fig.5.13 92
..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale tructura internă a unui TECMO cu canal inus e tip p este complementară celei a unui TECMO cu canal inus e tip n. În consecinţă, rena trebuie polarizată negativ faţă e sursă, iar poarta trebuie polarizată negativ faţă e sursă. enerarea canalului e tip p va începe la o iferenţă e potenţial negativă intre poartă şi sursă şi mai mare (în moul) ecât tensiunea e blocare a tranzistorului. Astfel, caracteristica e transfer va avea aspectul celei prezentate în fig.5.14. U = const. B B U T U TECMO cu canal inus n TECMO cu canal inus p 0 Fig.5.14 Fig.5.15 În fig.5.15 sunt prezentate simbolurile pentru tranzitorii MO cu canal inus. 5.5 Regimul inamic al tranzistorului cu efect e câmp Pentru analiza comportării tranzistorului cu efect e câmp în regim e variaţii (semnal mic) consierăm spre exemplificare un TECJ-n, conexiune sursă comună. Metoa poate fi extinsă şi asupra celorlalte tipuri e TEC. Ca şi tranzistorul bipolar, tranzistorul cu efect e câmp poate fi privit ca un cuarupol. acă la intrare se aplică un semnal variabil cu amplituine mică, peste regimul static e funcţionare efinit e valorile U o, U o şi I o se suprapune regimul inamic (fig.5.16). I o= 0 i g= 0 I o U o i u s u gs U o Fig.5.16 Curentul variabil e renă va epine atât e e tensiunea intre poartă şi sursă, cât şi e tensiunea intre renă şi sursă: 93
5 Tranzistorul cu efect e câmp i = i u, u (5.10) ( ) gs s Variaţia lui poate fi scrisă sub forma: i i i = u gs + us (5.11) u u gs s Pe baza acestei ecuaţii se efinesc parametrii e semnal mic ai tranzistorului cu efect e câmp. i g m = (5.12) u gs u s =0 1 r i = u s u gs = 0 (5.13) Interpretarea grafică a acestora poate fi observată în reprezentările grafice in fig.5.4. Ei au următoarele semnificaţii fizice: g m - panta e semnal mic 1 - conuctanţa canalului (r este rezistenţa canalului) r Prin combinarea relaţiilor (5.12) şi (5.13) se obţine un alt parametru: = g r u = s µ m (5.14) ugs i = const. El este factorul e amplificare în tensiune în regim inamic al tranzistorului, efinit ca raportul intre variaţia tensiunii intre renă şi sursă şi variaţia tensiunii intre poartă şi sursă care etermină o aceeaşi variaţie a curentului e renă. Ecuaţia (5.11) poate fi transcrisă folosin parametrii tranzistorului: i = g m u gs 1 + r u s (5.15) în care primul termen in membrul rept reprezintă o sursă e curent. Pe baza ei poate fi construită schema echivalentă la variaţii a tranzistorului, schemă arătată în fig.5.17. 94
..Anghel - Bazele electronicii analogice şi igitale i u gs 11 r gs 10 Ω r gs g m u gs r u s Fig.5.17 Practic, la intrare tranzistorul se comportă ca o rezistenţă infinită (reprezentată punctat). in punct e veere al ieşirii, el se comportă ca o sursă reală e curent cu rezistenţa internă r. Ţinân seama e relaţia intre parametrii tranzistorului (expresia (5.14)), relaţia (5.15) poate fi rescrisă sub forma: µ u = r i u (5.16) gs s chema echivalentă care satisface această ecuaţie este prezentată în fig.(5.18). r i 11 r gs 10 Ω u gs r gs µ u gs u s Fig.5.18 e poate observa că e ata aceasta, in punct e veere al ieşirii, tranzistorul se comportă ca o sursă reală e tensiune cu rezistenţa internă r. Trecerea e la reprezentarea ca sursă e curent la reprezentarea ca sursă e tensiune se putea realiza şi reesenân schema in fig.5.17 upă transformarea sursei e curent în sursa sa echivalentă e tensiune. Care intre cele ouă reprezentări ale tranzistorului cu efect e câmp, sursă e curent sau sursă e tensiune, este folosită în realizarea schemelor echivalente ale unor circuite mai complicate, epine e situaţia concretă a cazului stuiat. Libertatea e alegere ne aparţine. 95