8. Tranzystory polowe

8.1. Wprowadzenie

Działanie tranzystorów polowych FET ( field effect transistor) jest oparte na sterowaniu przepływem nośników większościowych (dziur albo elektronów) za pomocą pola elektrycznego. Prąd przewodzenia tranzystora przepływa specjalnie utworzonym kanałem o małej rezystywności, łączącym elektrody: dren D (drain) i źródło S (source). Kanał jest sterowany poprzecznym (w stosunku do pola unoszącego nośniki strumienia prądu) polem elektrycznym wzbudzanym za pomocą napięcia przyłożonego między bramkę G (gate) i źródło.

Rys.8.1.

W porównaniu do tranzystorów bipolarnych, tranzystory polowe charakteryzuje większa szybkość działania, większa rezystancja wejściowa oraz sterowanie napięciowe.

8.2. Rodzaje tranzystorów polowych

Podstawowym kryterium klasyfikacji elementów polowych (tablica) jest usytuowanie elektrody sterującej względem przewodzącego kanału. W

tranzystorach złączowych bramka jest odseparowana od kanału przewodzącego, albo wstecznie spolaryzowanym złączem PN (PNFET), albo za pomocą kontaktu Schottky’ego (MESFET). W tranzystorach IGFET ( insulated gate field effect transistor) bramka jest odgrodzona od kanału izolatorem. Liczną grupę elementów, stanowią tranzystory typu MIS ( metal insulator semiconductor), w tym MOS

( metal oxide semiconductor) z dwutlenkiem krzemu SiO2 jako izolatorem, o różnych odmianach konstrukcyjnych.

O kanale

W Podziale funkcjonalnym rozróżnia się tranzystory normalnie przewodzące (DMOS - depletion mode)), tj. przewodzące bez wysterowania (kanał

istnieje bez polaryzacji bramki) a wyłączane bramką oraz tranzystory normalnie nieprzewodzące (EMOS – enhancement mode, które wymagają zaindukowania kanału przez wzbogacanie w nośniki większościowe warstwy powierzchniowej pod izolatorem (konstrukcje planarne) lub przestrzeni między drenem a źródłem .

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 1

Tranzystory polowe

(FET)

Złączowe

Z izolowaną bramką

(JFET)

(IGFET)

Ze złączem PN

Ze złączem m-s

MIS, MISFET

Cienkowarstwowy

(PNFET)

(MESFET)

MOS, MOSFET

(TFT)

kanał n/p

kanał p

kanał n/p

kanał n/p

Z kanałem

Z kanałem

zubożanym

wzbogacanym

(DMOS)

(EMOS)

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 2

8.3. Tranzystory MIS

8.3.1.Budowa i działanie

S G D

R

R

D

S

S

G

W

D

L

tox

N

N

n+

n+

L

p - podłoże

eff

p

B

B

Rys.8.1.

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 3

8.3.2.Charakterystyki i parametry statyczne

Charakterystyka przejściowa opis, VT,

N

DMOS

EMOS

P

Rys.8.3. Charakterystyki przejściowe i wyjściowe DMOS i EMOS z kanałem N i P

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 4

Charakterystyka wyjściowa opis

Zakresy pracy - przemieszczanie się punktu pracy na charakterystyce wyjściowej tranzystora nEMOS

Przy spełnionym warunku, u

> V , istnienia kanału między źródłem a drenem, GS

T

umożliwiającym przewodzenie tranzystora, ze zwiększaniem się napięcia drenu punkt pracy przemieszcza się od a w kierunku c.

W otoczeniu punktu a kanał pełni funkcje rezystora liniowego łączącego źródło z drenem a zmiany prądu od napięcia są liniowe.

W miarę wzrostu napięcia uDS, rośnie także gęstość prądu iD powodującego odkładanie się spadków napięcia w kanale. Malejąca różnica potencjału między bramką a kanałem a w następstwie tego malejące natężenie pola prostopadłego do kanału, skutkuje zmniejszeniem się grubość kanału (modulacja rezystancji kanału).

Dalszy wzrost uDS prowadzi do całkowitego usunięcia inwersji kanału w części sąsiadującej z drenem (stan odcięcia p. c). Napięcie odpowiadające punktowi c nosi nazwę napięcia nasycenia u

= u

= u − V

DS

DSsat

GS

T

S G D

ID

d

c

b

d

c

b

n+

a

n+

b

c

p

d

a

UDS

B

Rys. 8.2.

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 5

Zakresy pracy tranzystora

Zakres podprogowy (odcięcia)

u

< V ;

GS

T

Zakres nadprogowy

u

> V ;

GS

T

• nienasycenia (omowy):

u

< u

= u − V

DS

DSsat

GS

T

liniowy

u

DS ≈ 0

triodowy

u

< u − V ,

DS

GS

T

• nasycenia (aktywny, pentodowy):

u

> u

= u − V ,

DS

DSsat

GS

T

.

Na początku zakresu nienasycenia w zakresie liniowym, przy małych napięciach uDS , prąd drenu zmienia się proporcjonalnie do napięcia dren-źródło

uDS, (wzór):

i = K u

(

− V ) ⋅ u ,

(8.1)

D

GS

T

DS

podczas, gdy rezystancja ma małą wartość. Ze względu na niski spadek napięcia drenu przy dużym prądzie iD, tranzystory w tym obszarze pracują jako przełączniki. Przy końcu zakresu widoczne jest zakrzywienie charakterystyk świadczące o pogarszaniu się proporcji między prądem a napięciem. Prąd drenu opisuje ogólniejsza w stosunku do (8.1) zależność: i = K ⋅[( u

− V ) u − 5

,

0

2

u

]

(8.2)

D

GS

T

DS

DS

W

ε

gdzie: K = µ ⋅ C

,

ox

C =

,

ox 2 L

ox

tox

µ - ruchliwość nośników ładunku, ε - stała dielektryczna izolatora, t -

ox

ox

grubość warstwy izolatora.

Wzory słuszne w przypadku uziemionego źródła, zwartego z podłożem.

Granicę między zakresami liniowym i nasycenia dla warunku: u

= u − V

(8.3)

DS

GS

T

określa krzywa paraboliczna ( pinch off) (8.1 i 8.3) opisana zależnością 2

i = Ku

(8.4)

D

DS

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 6

W zakresie aktywnym prąd drenu ma stałą wartość, która nie zależy od napięcia uDS. Tranzystory mają zastosowanie jako wzmacniacze napięciowe.

Prąd drenu wyrażony jest za pomocą wzoru pomijającego zjawisko modulacji kanału:

2

i = K ⋅ ( u

− V )

( 8.2)

D

GS

T

albo za pomocą wzoru (), który uwzględnia modulację kanału: i = K ⋅ ( u

− V )2 1

( + λ ⋅ u

) ,

(8. )

D

GS

T

DS

gdzie: λ oznacza współczynnik modulacji kanału (0 – 1V-1).

Liniowy,

triodowy,

omowy

Nasycenia,

pentodowy,

aktywny

Odcięcia

Rys.8.4.

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 7

8.3.3. Model małosygnałowy

W zakresie nasycenia w konfiguracji wspólnego źródła (odpowiednik wspólnego emitera w tranzystorze bipolarnym)

Parametry modelu:

Transkonduktancja (konduktancja przejściowa)

• dla zakresu triodowego (nienasycenia)

i

∂

∂[ K u

((

− V u

)

−

u

5

,

0

2

)]

D

GS

T

DS

DS

g =

=

= K ⋅ u

(8.3)

m

DS

u

∂

u

∂

GS

GS

• dla zakresu pentodowego (nasycenia)

i

∂

∂[ K( u − V )2]

D

GS

T

g =

=

= K ⋅ i

(8.4)

m

D

∂ u

u

∂

GS

GS

i

Po podstawieniu u

− V

D

=

.

GS

T

K

Konduktancja wyjściowa (konduktancja)

• dla zakresu triodowego (nienasycenia)

∂ i

[

∂ K(( u − V ) u − 5

,

0

2

u

)]

D

GS

T

DS

DS

g

=

=

= K ⋅( u − V − u ) (8.3) ds

GS

T

DS

u

∂

u

∂

DS

DS

• dla zakresu pentodowego (nasycenia)

∂ i

[ K u

V

D

∂ ( GS − )2]

g

(8.4)

ds =

=

T

= 0

∂ u

u

DS

∂ DS

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 8

Wartość gds równa zeru wynika z przyjętego uproszczenia modelu, który pomija zmiany pradu wyjsciowego ze wzrostem napięcia uDS

C + C

= C

gs

gd

iss

C

= C

gd

rss

C + C

= C

ds

gd

oss

Rys.

Pojemności podawane w katalogach, tzw. zwarciowe, mierzone w układzie ze wspólnym źródłem, oznaczają:

C

-

pojemność wejściową mierzoną przy zwartym wyjściu, iss

C

-

pojemność zwrotną,

rss

C

-

pojemność wyjściową, mierzoną przy zwartym wejściu.

oss

µ

Częstotliwość graniczna:

n

f

=

( u

− V )

max

2

2

GS

T

L

π

Zwiększeniu częstotliwości granicznej sprzyjają: zmniejszenie długości kanału L, większa konduktywność kanału (większa ruchliwość μn).

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 9

8.4. Tranzystory JFET

8.4.1.Budowa i działanie

G

a

B

S

C

d

D

S G D

S G D

P

P

N

N

p - podłoże

p - podłoże

B

B

Rys.8.5.

8.4.2.Charakterystyki statyczne i parametry

Charakterystyka przejściowa

Charakterystyka wyjściowa

8.4.3.Model małosygnałowy

8.5. Aplikacje

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 10

Tranzystor MOS jako rezystor sterowany napięciem u

<< u − V

(8.6)

DS

GS

T

można zaniedbać we wzorze na iD kwadrat napięcia drenu otrzymując uproszczony wzór:

i = 2 K ⋅ u

[(

− V ) u

(8.7)

D

GS

T

DS

u

1

DS

r =

=

(8.8)

ds

i

2 K ( u

− V )

D

GS

T

Stałość rezystancji oznacza pęk odcinków prostych wychodzących z początku układu współrzędnych dla małych napięć drenu uDS .

Bramka analogowa na tranzystorze MOS

Dzięki symetrycznej budowa tranzystora MOS możliwe jest przekazywanie sygnału w obu kierunkach podczas istnienia kanału przewodzącego. Na rys.

przedstawiono schemat bramki analogowej sterowanej generatorem napięcia e.

Przełączanie rezystancji dren-źródło tranzystora, od 10-3 Ω w zakresie liniowym do 1010 Ω w zakresie odcięcia, umożliwia łączenie źródła sygnału uwe(t) z odbiornikiem RL.

Tranzystory polowe są sterowane za pomocą pola elektrycznego wywołanego napięciem przyłożonym do zacisków wejściowych bramki (Gate) i źródła (source)

9. Wybór i stabilizacja punktu pracy

(metody polaryzacji tranzystorów w układach dyskretnych)

J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu 11