ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : FET (Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου) 1
FET Δομή και λειτουργία 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 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. Στα δύο άκρα του κρυστάλλου υπάρχουν δύο ακροδέκτες τα οποία είναι ισοδύναμα μεταξύ τους. Στους ακροδέκτες του FET αποδίδεται ονομασία ανάλογα με τη συνδεσμολογία. Έτσι, το άκρο στο οποίο κατευθύνονται οι φορείς πλειονότητας ονομάζεται απαγωγός (rain) και συμβολίζεται με ενώ το άλλο άκρο ονομάζεται πηγή (Source) και συμβολίζεται με S. Ο απαγωγός θα πρέπει να είναι πάντα σε δυναμικό μεγαλύτερο από αυτό στης πηγής για να μπορεί να χαρακτηριστεί ως απαγωγός. Θα πρέπει οι δύο p+-n επαφές, που σχηματίζονται μεταξύ των περιοχών p+ και n, να είναι ανάστροφα πολωμένες. 2
FET Δομή και λειτουργία Σχήμα 1. JFET n-διαύλου: (α) δομή, (β) σύμβολο Σχήμα 2. JFET p-διαύλου: (α) δομή, (β) σύμβολο 3
FET Δομή και λειτουργία Η πύλη των FET παίζει ρόλο παρόμοιο με αυτόν της βάσης στα διπολικά τρανζίστορ με τη διαφορά ότι η λειτουργία των τρανζίστορ ελέγχεται από το ρεύμα βάσης ενώ η λειτουργία των FET ελέγχεται από την τάση της πύλης ενώ το ρεύμα της πύλης είναι σχεδόν μηδενικό λόγο του 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. Όταν οι επαφές p+-n σε ένα JFET n-διαύλου πολωθούν ανάστροφα,v GS <0, οι περιοχές φορτίων χώρου διευρύνονται και διεισδύουν ολοένα και περισσότερο εντός του n-τύπου υλικού όσο η v GS αυξάνει περιορίζοντας το χώρο στον οποίο κινούνται οι ελεύθεροι φορείς. Υπάρχει τιμή της τάσης, v GS =V P (pinch off voltage), όπου οι δύο περιοχές φορτίων χώρου θα έρθουν σε επαφή και ο δίαυλος θα κλείσει εντελώς.. 4
FET Δομή και λειτουργία Αν εφαρμοστεί διαφορά δυναμικού μεταξύ απαγωγού και πηγής (v S >0) παρατηρούμε μια ανομοιόμορφη διαμόρφωση του διαύλου. Η μεταβολή αυτή οφείλεται στην πτώση τάσης πάνω στην ωμική αντίσταση που παρουσιάζει το n-τύπου υλικό μεταξύ πηγής και απαγωγού. Όσο η τάση v S αυξάνει, τόσο οι περιοχές φορτίων χώρου με τα τμήματά τους που βρίσκονται κοντά στον απαγωγό πλησιάζουν μεταξύ τους. Οι δύο περιοχές θα έρθουν σε επαφή όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ πύλης και απαγωγού γίνει ίση με το V P 5
FET Δομή και λειτουργία Μόλις ο δίαυλος κλείσει για πρώτη φορά στην περιοχή του απαγωγού το ρεύμα που διέρχεται από αυτόν παίρνει μια τιμή που μένει σταθερή ανεξάρτητα με την αύξηση τόσο της v S όσο και της επέκτασης της στένωσης προς τον απαγωγό. Για κάποια μεγάλη τιμή της v S παρατηρείται απότομη αύξηση του ρεύματος i. Το ρεύμα αυτό είναι ουσιαστικά το ανάστροφο ρεύμα μιας ανάστροφα πολωμένης διόδου (η p+-n επαφή του JFET) όταν αυτή φτάσει στην περιοχή κατάρρευσης. Καθώς η v GS αυξάνει κατ απόλυτη τιμή το JFET φτάνει πιο εύκολα στη γραμμική λειτουργία και το i ελαττώνεται. Για v GS = -V P το i =0 και όταν v GS = 0 τότε i = I SS.. 6
FET Δομή και λειτουργία H πύλη δεν πρέπει να πολωθεί ορθά, η μέγιστη επιτρεπόμενη θετική τιμή τάσης που μπορεί να πάρει είναι η τάση κατωφλίου της pn διόδου Si (< 0,7 V). Το ρεύμα στην περιοχή όπου οι χαρακτηριστικές είναι ευθύγραμμες δίνεται από τη σχέση: i ISS 1 v V GS p 2 Η γραφική παράσταση φαίνεται στο σχήμα η χαρακτηριστική i v GS είναι η χαρακτηριστική εισόδου του JFET και ονομάζεται καμπύλη μεταφοράς. Η κλίση των καμπύλων στην περιοχή κόρου δίνει τη δυναμική αντίσταση (ac) του απαγωγού r d r d v i S 7
FET Δομή και λειτουργία Στο πιο πάνω σχήμα της καμπύλης μεταφοράς στο σημείο Α έχουμε φέρει την εφαπτομένη η κλίση της οποίας ορίζει την διαγωγιμότητα g m του FET στο Α. Τελικά έχουμε: g g m i v 2I GS SS m 1 V p v V GS p Θέτοντας Έτσι g m g m0 2I V SS p gm0 1 v V GS p 8
ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ JFET- ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Βασικό κύκλωμα πόλωσης JFET Στο κύκλωμα φαίνεται το βασικό κύκλωμα πόλωσης του FET, η πύλη για το n καναλιού FET πρέπει να είναι αρνητική. Με την V GG το πετυχαίνουμε αυτό. Ο νόμος του Kirchhoff για το κύκλωμα εξόδου είναι : V I I S VS Έτσι το I είναι: I 1 V V S S S Οι ακραίες τιμές είναι I 0, V V S V S 0, I V S 9
ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ JFET- ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Βασικό κύκλωμα αυτοπόλωσης JFET Στο προηγούμενο κύκλωμα για την πόλωση του FET απαιτούνται δύο πηγές μια θετική και μια με αρνητική τάση. Το πιο κάτω κύκλωμα είναι απλοποιημένο υπάρχει μια πηγή στον απαγωγό και η πόλωση της πύλης πετυχαίνεται μέσω της τάσης που αναπτύσσεται στην S Στο κύκλωμα αυτό το ρεύμα πύλης I G = 0 από το νόμο του Kirchhoff έχουμε για το κύκλωμα εισόδου: 1 0 I S VGS I VGS Η εξίσωση αυτή είναι εξίσωση ευθείας που διέρχεται από την αρχή των αξόνων με κλίση -1/ S Για το κύκλωμα εξόδου ισχύουν τα ίδια με προηγούμενο κύκλωμα V I I S VS S Και ακραίες τιμές I 0, V V S V S 0, I V S 10
ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ JFET- ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Στο πιο κάτω σχήμα φαίνονται η dc ευθεία φόρτου και το σημείο λειτουργίας Q. 11
ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ JFET- ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Στο πιο κάτω σχήμα φαίνονται η dc ευθεία φόρτου και το σημείο λειτουργίας Q. 12
ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ JFET- ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Για να υπολογίσουμε τα χαρακτηριστικά ενός κυκλώματος όπως το προηγούμενο ακολουθούμε τα πιο κάτω βήματα: 1. Επιλέγουμε την V με τιμές από 10 V 30 V 2. Σχεδιάζουμε τη dc ευθεία φόρτου πάνω στις χαρακτηριστικές του FET. 3. Τοποθετούμε το σημείο λειτουργίας Q πάνω στην ευθεία φόρτου και προσδιορίζουμε τις συντεταγμένες του V SQ, I Q, V GS. 4. Προσδιορίζουμε την S από την εξίσωση 5. Υπολογίζουμε το S + από την εξίσωση 0 I S VGS Και την I 1 V V S S S 13
ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ JFET- ΕΥΘΕΙΑ ΦΟΡΤΟΥ Κύκλωμα πόλωσης JFET με διαιρέτη τάσης Στο πιο κάτω κύκλωμα χρησιμοποιείται διαιρέτης τάσης για την πόλωση του FET. Από τον διαιρέτη τάσης έχουμε G 1 2 1 2 Ο νόμος του Kirchhoff για το κύκλωμα εισόδου είναι V GG 1 V 1 2 1 V I V I V GG S GS GS S V GG S 14
TO FET ΩΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ενισχυτής κοινής πηγής (C-S) Στο κύκλωμα του ενισχυτή με FET θα πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη και τη δυναμική αντίσταση r η οποία παίρνει τιμές σημαντικές και δεν θα πρέπει να αγνοηθεί. Έτσι επειδή η αντίσταση αυτή εμφανίζεται ως μια επιπλέον αντίσταση μεταξύ S και και μάλιστα παράλληλα συνδεμένη με την για το λόγο αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιείται η σε όλους τους υπολογισμούς όταν είναι απαραίτητο: rd ' r Στο κύκλωμα του σχήματος ένα μικρό ac σήμα εφαρμόζεται μεταβάλλοντας την V GS και αυτή η μεταβολή προκαλεί ένα ac σήμα στον απαγωγό. Η αντίσταση μεταξύ G και S η GS είναι πολύ μεγάλη έτσι η αντίσταση εισόδου του κυκλώματος είναι: 12 i 1 2 Η αντίστοιχη αντίσταση εξόδου στο ac είναι d L L 15
TO FET ΩΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ενισχυτής κοινής πηγής (C-S) Η συνολικά τάση στην πύλη είναι v V v Το ρεύμα στον απαγωγό i I id Η τάση στην έξοδο του ενισχυτή είναι: Στα κυκλώματα ενισχυτών FET επειδή η αντίσταση εισόδου του FET είναι πολύ μεγάλη ισχύει: v v v g ' v o m L gs gs Έτσι ορίζουμε την απολαβή πύλης εξόδου Α V vomax AV v Και την απολαβή εισόδου - εξόδου i GSmax GS GS gs A e v V omax m 16
TO FET ΩΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ενισχυτής κοινής πηγής (C-S) Τελικά έχουμε Ορίζουμε το μέγεθος Έτσι Αν δεν υπάρχει ο πυκνωτής παράκαμψης έχουμε Όπου v g ' v A A g ' o m L gs V e m L vgs vgs r ' s 1 gm 1 g r ' m V m L A g ' A g ' ' V m S L g' m r ' s s ' r' s L ' S L r ' s m S 1 1 1 S g S 17
TO FET ΩΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ενισχυτής κοινού απαγωγου (C-) Στο κύκλωμα του ενισχυτή FET κοινού απαγωγού ισχύουν τα ίδια με τον ενισχυτή κοινού συλλέκτη, δηλαδή η τάση στην έξοδο δεν εμφανίζει ενίσχυση και είναι σχεδόν ίδια με αυτή της εισόδου. Εμφανίζει επίσης πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου και μικρή αντίσταση εξόδου με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται ως βαθμίδα εισόδου κυρίως σε όργανα μετρήσεων. Η εισόδου του κυκλώματος είναι: Η αντίστοιχη αντίσταση εξόδου στο ac είναι Η τάση εξόδου είναι i v i g v Η τάση εισόδου 1 2 1 2 o S L m S L gs L L Η απολαβή είναι 1 v v v g v v g v in o gs m S L gs gs m S L gs A v o m S L gs V vin 1 gm S L vgs g v 18
ΜΟSFET 19
ΜΟSFET 20
ΜΟSFET 21
ΜΟSFET 22
ΜΟSFET 23
ΜΟSFET 24
ΜΟSFET 25
ΜΟSFET 26