Elektronika analogowa teoria tranzystory polowe

forum

szukaj

książki

linki

artykuły

teoria

dla początkujących

schematy

elektronika retro

mikrokontrolery

Teoria

Tranzystory polowe

Tranzystor polowy

Klasyfikacja tranzystorów polowych

Obrazowe przedstawienie działania tranzystora polowego

Charakterystyki tranzystora polowego- Typowe parametry tranzystorów polowych

Układ ze wspólnym źródłem

Układ ze

wspólnym drenem (wtórnik źródłowy)

Kilka zastosowań tranzystorów polowych

Tranzystory polowe tak jak i tranzystory bipolarne są elementami
półprzewodnikowymi lecz różnią się od bipolarnych tym, że są sterowane
polem elektrycznym co oznacza, że nie pobierają mocy na wejściu. Pomimo
takiej różnicy oba rodzaje tranzystorów mają wspólną cechę: są to elementy
działające na zasadzie sterowania przepływem ładunku. W obu przypadkach
są to elementy trzykońcówkowe, w których przewodność między dwoma
końcówkami zależy od liczby nośników ładunków znajdujących się między
nimi, a z kolei liczba nośników ładunków zależy od wartości napięcia
doprowadzonego do elektrody sterującej zwanej bazą w tranzystorach
bipolarnych lub bramką w tranzystorach polowych.
Na rys.4.2.1 przedstawione są symbole graficzne tranzystorów polowych.
Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - źródło, G - bramka.
Elektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w
tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E
odpowiada źródło S, a bazie B odpowiada bramka G.
Działanie tranzystora polowego polega na sterowaniu przepływem prądu
przez kanał za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego przez napięcie
doprowadzone do bramki. Ponieważ w tranzystorze polowym nie ma żadnych
przewodzących złącz więc do bramki nie wpływa ani z niej nie wypływa
żaden prąd i jest to chyba najważniejsza cecha tranzystorów polowych. Z
właściwości tej wynika duża wartość rezystancji wejściowej tranzystora
polowego co szczególnie w zastosowaniach takich jak przełączniki analogowe
trudno jest przecenić.

rys. 4.2.1

Klasyfikacja tranzystorów polowych. W przypadku tranzystorów
bipolarnych rozróżnia się dwa typy npn i pnp, natomiast w przypadku
tranzystorów polowych jest sześć typów mogących mieć zastosowanie
praktyczne z czego wykorzystuje się pięć.
W tabeli z rys 4.2.2 przedstawionych jest sześć typów tranzystorów
polowych z ich symbolami graficznymi, charakterystykami i krótkim opisem
zastosowania.

Tranzystory polowe

złączowe

z izolowaną bramką

z kanałem zubożanym

z kanałem wzbogacanym

kanał typu n

kanał typu p

kanał typu n

kanał typu p

kanał typu n

kanał typu p

Wzmacniacze
zbudo-wane z
elementów
dyskretnych.
Analogowe układy
scalone.

Wzmacniacze w.cz.
zbudowane z
eleme-ntów
dyskretnych.
Cyfrowe układy
sca-lone.

Wzmacniacze mocy
zbudowane z
eleme-ntów
dyskretnych.
Cyfrowe układy
sca-lone.

rys. 4.2.2

Symbole poszczególnych rodzajów tranzystorów polowych pokazane są w
tabeli powyżej. Zaznaczone tam są indeksy elektrod tranzystorów. Bramka G
(gate) jest elektrodą, która steruje rezystancję między drenem D (drain) i
źródłem S (source).
Jak widać każdy rodzaj tranzystora polowego dzieli się dodatkowo na
tranzystor z kanałemn typu n lub p. Rodzaj kanału zależy od rodzaju
nośników prądu. Dla tranzystorów z kanałem p są to dziury, a dla
tranzystorów z kanałem n są to elektrony. Dla tranzystorów z kanałem
n prąd płynący przez kanał jest tym mniejszy im mniejszy jest potencjał na
bramce, a dla tranzystorów z kanałem p jest odwrotnie. Widać to dokładnie
na charakterystykach umieszczonych w tabeli na rys. 4.2.2.
W tranzystorach polowych złączowych JFET (junction FET) największy prąd
drenu płynie przy napięciu sterującym U

=0, co widać na charakterystyce.

Tak samo zachowują się tranzystory z izolowaną bramką z kanałem
zubożanym.
Tranzystory polowe z kanałem wzbogacanym przy takim samym napięciu
U

=0 nie przewodzą prądu. Z takich zachowań w przewodzeniu prądu

wynika to, że tranzystory JFET oraz MOSFET z kanałem zubożanym
nazywane są normalnie włączonymi, a tranzystory MOSFET z kanałem
wzbogacanym - normalnie wyłączonymi.
W tranzystorach z kanałem wzbogacanym prąd płynie wówczas gdy
napięcie U

przekroczy pewną wartość progową U

Tranzystory MOSFET mają często wyprowadzoną czwartą końcówkę B
podłączoną do podłoża (bulk). Elektroda ma podobne działanie jak bramka i
jest izolowana od kanału warstwą zaporową. Jednak na ogół nie
wykorzystuje się jej właściwości i jest ona łączona ze źródłem.

Obrazowe przedstawienie działania tranzystora polowego
Tranzystor JFET
Schemat struktury i działanie tranzystora polowego złączowego JFET
przedstawione jest na rysunkach 4.2.3 a)b)c)d). Oczywiście jest to duże
uproszczenie ale pomoże w zrozumieniu mechanizmów jakie zachodzą
w tranzystorze JFET.
W tranzystorze polowym JFET elektrody D (dren) i S (źródło) dołączone są
do płytki półprzewodnika, a złącze pn występuje między tą płytką
a obszarem bramki G co pokazane jest na rys. 4.2.3 a). Jednorodny obszar
półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez
który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę
przekroju kanału. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzenie
lub zwężenie warstwy zaporowej złącza pn, a więc przez zmianę napięcia U

polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym.
Ze względu na to, że w obwodzie wejściowym tranzystora JFET występuje
złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym, rezystancja wejściowa
takich tranzystorów jest bardzo duża.
Pod wpływem napięcia U

polaryzującego zaporowo złącze pn, warstwa

zaporowa rozszerzy się tak, jak to pokazane jest na rysunku 4.2.3 b),
przekrój kanału tym samym zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie.
Łatwo można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia U

kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy zaporowe połączą się i kanał
zostanie zamknięty, a jego rezystancja będzie bardzo duża.
Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem
sterowanym napięciowo.
Rezystancja kanału może zmieniać się od kilkudziesięciu omów, przy braku
polaryzacji, do wielu megaomów w warunkach zamknięcia. Napięcie U

przy którym następuje zamknięcie wynosi od 1V do 10V zależnie od typu
tranzystora.
Sytuacja omawiana wyżej przy pomocy rysunków 4.2.3 a) i b) nie jest
ścisła gdyż nie uwzględnia wpływu napięcia U

. Na rysunku 4.2.3 c) i d)

przedstawiona jest sytuacja gdy doprowadzone jest napięcie U

między

dren i źródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła. Jak
widać na rys. 4.2.3 c) w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w
pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest
polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia U

dodaje się

spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a źródłem S.
Dalszy wzrost napięcia U

powoduje dalsze rozszerzanie warstwy zaporowej

aż do zamknięcia kanału, co powoduje stan nasycenia. W takiej sytuacji
dalszy wzrost napięcia U

nie będzie powodował praktycznie dalszego

wzrostu prądu drenu I

gdyż warstwa zaporowa będzie się rozszerzała w

kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale pozostanie praktycznie stały
(patrz rys. 4.2.3 d)). Wobec tego swobodne elektrony w kanale poruszać się
będą przez obszar o stałych wymiarach i stałym spadku napięcia, przez
warstwę zaporową w kierunku drenu.
Tranzystor MOSFET
Na rysunku 4.2.4 przedstawiony jest schemat struktury tranzystora MOSFET
z kanałem typu n (o podłożu typu p).
Na początek kilka wyjaśnień:
- obszar zaznaczony n

jest silnie domieszkowanym półprzewodnikiem typu

n,
- źródło S i podłoże B są zwarte ze sobą i stanowią punkt wspólny dla
potencjałów drenu D i bramki G.
Na rys. 4.2.4 a) przedstawiona jest sytuacja gdy polaryzacja drenu
i bramki jest zerowa czyli U

=0 i U

=0. W takim przypadku struktura

złożona z obszarów półprzewodnika typu n

(dren i źródło) rozdzielonych

półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody
połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie). Wokół
obszarów źródła i drenu występuje typowy dla złączy pn obszar ładunku
ujemnych jonów domieszki akceptorowej. W takiej sytuacji brak jest
połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem czyli brak jest kanału.
Na kolejnym rysunku 4.2.4 b) pokazana jest sytuacja gdy bramka jest
spolaryzowana napięciem U

>0. Dodatni ładunek spolaryzowanej bramki

indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się
z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw.
warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego
jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji
zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i źródłem w postaci
kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od
koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia U

Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu U

>0 tak jak pokazane

to jest na rys. 4.2.3 c) to popłynie prąd drenu I

tym większy im większe

będzie napięcie U

Zależność prądu drenu I

od napięcia drenu U

nie jest jednak liniowa.

Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne U

zmienia stan polaryzacji

bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem
jest mniejsza, a kanał płytszy.
Ze wzrostem U

całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest

więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy U

kanał w pobliżu drenu

przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Taka sytuacja
przedstawiona jest na rys. 4.2.4 d). Dalszy wzrost napięcia drenu U

będzie

powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu I

rys. 4.2.3

rys. 4.2.4

Charakterystyki tranzystora polowego
Na rysunku 4.2.5 przedstawiona jest charakterystyka wyjściowa I

)

tranzystora MOSFET z kanałem typu n, którego struktura przedstawiona jest
na rys. 4.2.4.
Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części:
obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). Na rys. 4.2.5 obszary te są
rozdzielone niebieską linią, której kształt przypomina parabolę.
W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje się jak bardzo dobry
element transkonduktancyjny, tzn. taki dla którego prąd I

jest praktycznie

stały dla różnych napięć U

. Natomiast dla małych wartości U

, czyli w

obszarze nienasycenia, zachowuje się on jak rezystor, tzn. I

jest

proporcjonalny do U

. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu I

jest

funkcją napięcia bramka-źródło U

, a ściślej rzecz biorąc jest funkcją

różnicy (U

- U

), gdzie U

jest napięciem progowym. Obszar liniowy,

w którym prąd drenu jest prawie proporcjonalny do U

, rozciąga się od

=0V do U

= U

DS(sat)

. Na prawo od U

DS(sat)

charakterystyki prądu drenu

biegną prawie poziomo.

W obszarze nienasycenia nachylenie charakterystyki czyli I

, jest

proporcjonalne do (U

- U

). Napięcie dren-źródło, dla którego następuje

wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia jest równe
U

DS(sat)

=(U

- U

). W efekcie daje to proporcjonalność prądu nasycenia

drenu I

D(sat)

do (U

- U

)

, czyli kwadratową zależność prądu drenu od

napięcia sterującego.
Bardziej ogólne równania prądu drenu tranzystora polowego można
przedstawić przy pomocy poniższych wzorów:
- dla obszaru liniowego

=2k[(U

- U

/2]

- dla obszaru nasycenia

=k[(U

- U

)

Jeżeli różnicę (U

- U

) nazwie się wysterowaniem bramki, to można na

podstawie przedstawionej charakterystyki powiedzieć, że:
- w obszarze nienasycenia (liniowym) rezystancja kanału jest odwrotnie
proporcjonalna do wysterowania bramki,
- granicą obszaru liniowego jest linia, dla której napięcie dren-źródło jest
równe wysterowaniu bramki U

=(U

- U

- prąd nasycenia drenu jest proporcjonalny do kwadratu wysterowania
bramki.
Charakterystyki przejściowe I

) dla różnych typów tranzystorów

przedstawione są na rys. 4.2.6.

rys. 4.2.5

rys. 4.2.6

Typowe parametry tranzystorów polowych
Wartości parametrów typowych dla tranzystorów polowych przedstawię na
przykładzie tranzystora polowego złączowego JFET małej mocy BF245B i typu
MOSFET dużej mocy IRF530. Zestawienie tych parametrów jest
przedstawione w poniższej tabeli.

Typ

BF245B

IRF530

Technologia

Złączowy

MOS

Rodzaj

Kanał typu n

zubożany

Kanał typu n

wzbogacany

Parametry graniczne
Napięcie dren-źródło U

DSmax

Prąd drenu I

Dmax

Napięcie bramka-źródło U

GSmax

Moc strat P

strmax

30V

25mA

-30V

300mW

100V

10A

±20V

75W

Parametry charakterystyczne
Napięcie progowe U

Prąd drenu przy U

=0 I

DSS

Transkonduktancja g

Rezystancja w stanie włączenia r

dson

Maksymalny prąd bramki I

Gmax

Prąd drenu w stanie odcięcia I

Dmax

Pojemność wejściowa C

weS

Pojemność wyjściowa C

wyS

Pojemność zwrotna C

Pole wzmocnienia f

Czas włączenia t

Czas wyłączenia t

off

-1,5...-4,5V

6..15mA

5mA/V

200W

5nA

10nA

4pF

1,6pF
1,1pF

700MHz

1,5...3,5V

5A/V

0,14W

0,5mA

1mA

750pF
300pF

50pF

30ns
50ns

To nie wszystko - już wkrótce dalszy ciąg informacji o tranzystorach...

Literatura:

"Sztuka elektroniki" - P.Horowitz i W.Hill

"Układy półprzewodnikowe" - U.Tietze i Ch.Schenk

"Podstawowe układy elektroniczne" - W.Nowakowski

"Układy elektroniczne" - S.Seely

UWAGA: Wszystkie umieszczone schematy, informacje i przykłady mają służyć tylko do własnych celów edukacyjnych i nie należy ich

wykorzystywać do żadnych konkretnych zastosowań bez przeprowadzenia własnych prób i doświadczeń, gdyż nie udzielam żadnych gwarancji, że

podane informacje są całkowicie wolne od błędów i nie biorę odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikające z zastosowania podanych

informacji, schematów i przykładów.

Wszystkie nazwy handlowe, nazwy produktów oraz znaki towarowe umieszczone na tej stronie są zastrzeżone dla ich właścicieli.

Używanie ich tutaj nie powinno być uważane za naruszenie praw właściciela, jest tylko potwierdzeniem ich dobrej jakości.

All trademarks mentioned herein belong to their respective owners.

They aren't intended to infringe on ownership but only to confirm a good quality.

Strona wygląda równie dobrze w rozdzielczości 1024x768, jak i 800x600.

Optymalizowana była pod IE dlatego polecam przeglądanie jej w IE5.5 lub nowszych przy rozdzielczości 1024x768.