Aneta Prijić Poluprovodničke komponente Modul Elektronske komponente i mikrosistemi (IV semestar) Studijski program: Elektrotehnika i računarstvo Broj ESPB: 6
JFET (Junction Field Effect Transistor) - tranzistori sa p-n spojem (Q) Rad zasnivaju na osobinama inverzno polarisanog p-n spoja Naponski kontrolisane komponente U provođenju struje učestvuje jedna vrsta nosilaca unipolarne komponente U tehnološkoj realizaciji sadrže 4 oblasti kontaktiranja pri čemu su dve kratkospojene tako da diskretne komponente imaju 3 izvoda
U zavisnosti od realizacije izdvajaju se 2 tipa N-kanalni P-kanalni S sors (source) G gejt (gate) D drejn (drain)
Struktura i princip rada n kanalni p-kanalni I D =I S
N-kanalni JFET U oblast poluprovodnika n tipa koji ima 2 kontakta (sors i drejn) ugrađene su 2 simetrične oblasti p tipa koje su kratkospojene i čine gejt Formirana su 2 p-n spoja - struktura je slična dvema diodama koje imaju zajedničku katodu p-n spojevi su inverzno polarisani (dejstvo V GS ) Usled znatno niže koncentracije primesa u n-tipu u odnosu na p-tip prelazna oblast se širi u n oblast U prelaznoj oblasti nema slobodnih nosilaca - u n oblasti se između njih formira kanal (channel) dužine L i širine W u kome postoje slobodni elektroni
Pod dejstvom napona V DS elektroni se kroz kanal kreću od sorsa ka drejnu čineći struju drejna - I D Promenama vrednosti napona V GS i V DS menja se širina prelazne oblasti, a time i širina kanala što se reflektuje na vrednost struje I D Kroz p-n spojeve prema gejtu teku inverzne struje zasićenja koje su na sobnoj temperaturi zanemarive Struktura i rad p-kanalnog JFET-a su analogni u odnosu na n-kanalni sa invertovanim tipovima poluprovodnika i vrednostima napona polarizacije
Tehnološka realizacija JFET-a n-kanalni u integrisanim kolima
Električne karakteristike Zajednička elektroda sors - ulazno je kolo gejta, a izlazno kolo drejna Strujno-naponske karakteristike Izlazne karakteristike I D =f(v DS ), V GS parametar Prenosne I D =f(v GS ), V DS parametar Transkonduktansa Ulazna otpornost i kapacitivnost Disipacija snage p-n spojevima se uvek mora obezbediti inverzna polarizacija
JFET bez polarizacije gejta Gejt i sors kratkospojeni V GS =0 V DS - promenljiv napon
Za V DS =0, I D =0 - širine prelaznih oblasti su uniformne duž kanala Sa porastom V DS kroz kanal se kreću elektroni od sorsa ka drejnu - uspostavlja se struja I D Tranzistor se ponaša kao otpornik R DS čija je otpornost konstantna i proporcionalna dimenzijama kanala i pokretljivosti i koncentraciji elektrona V DS =R DS I D linearna zavisnost između napona i struje
V DS inverzno polariše p-n spojeve Sa porastom V DS prelazne oblasti se šire i to više u delu kod drejna kanal se sužava a otpornost R DS raste Porast struje drejna nije linearno proporcionalan porastu napona V DS
Pri višim vrednostima V DS prelazne oblasti se toliko prošire da se dodirnu a kanal postaje priklješten (napon pinch-off - V P ) Otpornost R DS postaje jako velika kanal se ponaša kao provodno vlakno Dalji porast napona izaziva ekvivalentan porast otpornosti R DS Struja drejna je konstantna sve do nastupa proboja p-n spojeva pri visokim vrednostima V DS
Izlazna karakteristika za V GS =0 Na karakteristici razlikujemo 3 oblasti: triodna zasićenje proboj Deo triodne oblasti gde je zavisnost između napona i struje linearna - omska oblast Napon prekidanja - V P je granica između triodne i oblasti zasićenja I DSS je struja pri naponu prekidanja maksimalna struja koju tranzistor može da obezbedi (reda nekoliko do 100 ma)
JFET kao izvor konstantne struje V = V I R DS DD D D V I R V DD DSS D P I R V V R DSS D DD P D V DD I DSS V U konfiguraciji bez polarizacije gejta JFET se može koristiti kao izvor konstante struje Tranzistor se polariše da radi u oblasti zasićenja (I D =I DSS ; V DS V P ) pri zadatoj vrednosti V DD uvođenjem otpornika R D P
Primer Za V DD =9V i primerak JFET-a tipa BF244A kome je poznato V P 2V i I DSS = 3,27mA VDD VP 9V 2V RD = IDSS 3,27mA R 2,14kΩ D Usvaja se standardna vrednost 2kΩ Nedostatak JFET-a kao izvora konstantne struje je temperaturna zavisnost struje drejna Diode regulatori struje se realizuju kao JFET-ovi bez polarizacije gejta
JFET sa polarizacijom gejta V GS - promenljiv napon koji obezbeđuje inverznu polarizaciju p-n spojeva V DS - promenljiv napon
Za V DS =0, I D =0 - širine prelaznih oblasti su uniformne duž kanala Porastom V DS uspostavlja se struja I D Sa smanjenjem V GS (porastom inverzne polarizacije p-n spojeva) šire se prelazne oblasti, kanal se sužava, R DS raste Struja I D je za istu vrednost V DS manja nego pri V GS =0
V GS(OFF ) = Dalje smanjenje napona V GS dovodi do spajanja osiromašenih oblasti duž celog kanala i njegovog zatvaranja Tranzistor se isključuje (cut-off) - I D =0 Napon isključenja V GS(OFF) je po apsolutnoj vrednosti jednak naponu prekidanja V P
Izlazne karakteristike I D =f(v DS ), V GS -parametar Eksperimentalne vrednosti za n-kanalni JFET BS245C
Definišu se za napone V GS(OFF) <V GS <0 Struja I D u zasićenju lagano raste sa porastom V DS efekat modulacije dužine kanala Za V DS >V P oblast prekida kanala se od drejna pomera dublje ka sorsu kanal se skraćuje a njegova otpornost opada struja drejna blago raste (može se u prvoj aproksimaciji smatrati konstantnom) Uslov ulaska JFET-a u zasićenje je predstavljen graničnom krivom VDS = VGS(OFF ) VGS = VP VGS
Prenosna karakteristika I D =f(v GS ), V DS = V P - V GS Eksperimentalne vrednosti za n-kanalni JFET BS245C
Prenosna karakteristika se može opisati Šoklijevom jednačinom VGS 2 ID I DSS (1 ) VGS(OFF ) Ova jednačina lepo opisuje ponašanje jednog konkretnog JFET-a sa poznatim I DSS i V GS(OFF) Nije primenljiva za celu familiju tranzistora usled velikog rasipanja parametara Npr. za JFET BF245C u tehničkim specifikacijama stoji -7,5V V GS(OFF) -3,2V nijedan tranzistor neće biti uključen za V GS manje od 7,5V i svaki će biti uključen za V GS manje od -3,2V 12mA I DSS 25mA Šoklijeve krive za granične vrednosti parametara bi se jako razlikovale
Transkonduktansa Odnos promene struje drejna pri promenama napona na gejtu za određenu vrednost napona na drejnu g m I I I D D1 D2 = = S V V V GS GS1 GS2 Zavisi od položaja radne tačke Na osnovu Šoklijevog izraza did 2I V DSS GS VGS g m = = (1 ) = g m0 (1 ) dv V V V GS GS(OFF ) GS(OFF ) GS(OFF ) U tehničkim specifikacijama g m0 = g fs - direktna prenosna konduktansa ili g m0 = y fs - direktna prenosna admitansa
Ulazna otpornost R IN = V I GS GSS I GSS inverzna struja zasićenja p-n spojeva gejta pri definisanoj vrednosti V GS i V DS =0 R IN ima veliku vrednost jer su p-n spojevi inverzno polarisani Za JFET BF245C iz tehničkih specifikacija za V GS = 20V struja gejta je I GSS = 5 na R IN = 4GΩ
Ulazna kapacitivnost Ulazna kapacitivnost JFET-a se može posmatrati kao kapacitivnost inverzno polarisanog p n spoja Definiše se za učestanost od 1MHz i označava sa C is Njena vrednost je nekoliko pf
Disipacija snage Ukupna disipacija snage P tot se definiše za određenu vrednost temperature okoline T A Treba obezbediti ispunjenje uslova VDS ID Ptot V DS(max) - maksimalni dozvoljeni napon između drejna i sorsa I DSS maksimalna struja JFET-a Oblast bezbednog rada (Safe Operating Area-SOA) uz obezbeđeno hlađenje
Polarizacija (biasing) JFET-a Dovođenje JFET-a u željenu oblast rada postavljanje jednosmerne radne tačke Vrednosti napona u kolima unapred definisane polarizacija se obezbeđuje otpornicima Tipovi polarizacije JFET-a Automatska polarizacija (self-biasing) Polarizacija preko naponskog razdelnika Polarizacija za rad u omskoj oblasti
Automatska polarizacija R G ~MΩ - obezbeđuje nultu polarizaciju na gejtu JFET-a V G =0 I = I V V = V (R + R )I Jednačina radne prave na prenosnoj karakteristici 1 ID = VGS R S = D I R S D S V = 0 I R = I R < 0 GS D S D S DS DD D S D Sa porastom I D napon V GS postaje negativniji što uzrokuje smanjenje I D Sa smanjenjem I D napon V GS postaje manje negativan što uzrokuje porast I D JFET automatski polarisan S
Položaj radne tačke se određuje za definisanu vrednost napajanja i željenu vrednost struje Primer - JFET BF245C tipična prenosna karakteristika za V DS =15V Sa prenosne karakteristike se očitava V GS =-2V R S =-V GS /I D =222,22Ω usvaja se standardna vrednost R S =220Ω R D =(V DD -V DS )/I D -R S =113,33Ω usvaja se standardna vrednost R D =110Ω V DS > V GS(OFF ) - V GS JFET u zasićenju V GS(OFF) =-6,5V V DD =18V, R G =10MΩ željena struja I D =9mA P D =I D V DS =0,135W<P tot =0,3W tranzistor u oblasti bezbednog rada
Problem kod automatske polarizacije je rasipanje vrednosti parametara JFET-ova u odnosu na tipične Primer - JFET BF245C - iz tehničkih specifikacija: -7,5V V GS(OFF) -3,2V; 12mA I DSS 25mA Šoklijeve krive za granične vrednosti parametara se jako razlikuju Presek graničnih prenosnih karakteristika i radne prave za R S =220Ω daje radne tačke Q max i Q min Zavisno od primerka tranzistora napon i struja JFET-a se mogu naći u opsegu -2,5V V GS -1,1V 5mA I D 11,5mA Potrebno je izvršiti stabilizaciju radne tačke
Stabilizacija radne tačke kod automatske polarizacije postiže se: Postavljanjem višeobrtnog trimera umesto otpornika R S - zahteva posebnu kalibraciju za svako kolo Postavljanje izvora konstantne struje umesto otpornika R S ili R D kolo se usložnjava Primenom polarizacije preko naponskog razdelnika
Polarizacija preko naponskog razdelnika R 1, R 2 ~MΩ V G = I R S R2 + R 1 2 = D DD S S S D S 2 GS G S DD D S R1 + R2 V DS DD D S D I V = IR = IR R V = V V = V I R V = V (R + R )I Jednačina radne prave na prenosnoj karakteristici V GS =0 I D =V G /R S I D =0 V GS =V G V 1 R 1 I = V = V V G 2 D GS DD GS RS RS R S(R1 + R 2) RS
Položaj radne tačke se određuje u preseku prenosne karakteristike i radne prave za zadatu vrednost napajanja Primer - JFET BF245C tipična prenosna karakteristika Sa prenosne karakteristike se očitava V GS =-2V Za R 1 =R 2 V G =V DD /2=9V R S =(V G -V GS )/I D =1222,22Ω usvaja se standardna vrednost R S =1,2kΩ V DS > V GS(OFF) - V GS -JFET u zasićenju V GS(OFF) =-6,5V V DD =18V, željena struja I D =9mA
Problem rasipanja vrednosti parametara JFET-ova u odnosu na tipične je smanjen Primer - JFET BF245C - iz tehničkih specifikacija: -7,5V V GS(OFF) -3,2V; 12mA I DSS 25mA Šoklijeve krive za granične vrednosti parametara se jako razlikuju Presek graničnih prenosnih karakteristika i radne prave za R S =1,2kΩ daje radne tačke Q max i Q min Zavisno od primerka tranzistora napon i struja JFET-a se mogu naći u opsegu -2,8V V GS -0,7V 8mA I D 10mA bliže traženoj vrednosti nego kod automatske polarizacije
Polarizacija za rad u omskoj oblasti JFET ima ulogu promenljivog otpornika u kolima za slabljenje signala i kontrolu pojačanja Otpornik čini njegova izlazna otpornost V DD fiksna vrednost, R G ~ 1MΩ Napon V CON kontroliše otpornost (V CON =V GS ) Radna prava se postavlja tako da preseca izlazne karakteristike u omskoj oblasti Neophodan uslov I LIN V R DD = D I DSS R DS = V I DS DS
Primer Za V DD =9V i izabrano I DLIN =2,5mA VDD RD = = 3,6kΩ I DLIN Za R D se u praksi postavlja višeobrtni trimer Presečne tačke karakteristika sa radnom pravom Q 1 : V CON =V GS =0V, V DS =0,25V, I D =2,4mA R DS 100Ω Q 2 : V CON =V GS =-1V, V DS =0,35V, I D =2,3mA R DS 152Ω Q 3 : V CON =V GS =-2V, V DS =0,5V, I D =2,2mA R DS 227Ω Q 4 : V CON =V GS =-3V, V DS =0,75V, I D =2mA R DS 375Ω
Model JFET-a za naizmenične signale Koristi se pri analizi JFET-a kao pojačavača malih signala Jednosmerni naponi polarizacije se zanemaruju za naizmenične signale i d =g m v gs g m =f(v GS, V DS )