TRANZYSTORY POLOWE - JFET

Tranzystor polowe, nazywane również tranzystorami unipolarnymi, stanowią grupę kilku rodzajów elementów, których wspólną cechą jest pośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na rezystancję półprzewodnika lub na rezystancję cienkiej warstwy nieprzewodzącej. Do tej grupy zaliczamy tranzystory, których prąd wyjściowy jest funkcją pola elektrycznego istniejącego pod wpływem napięcia sterującego wejściowego. Teoretycznie sterowanie pracą tranzystora polowego może odbywać się bez poboru mocy. W działaniu elementu udział bierze tylko jeden rodzaj nośników ładunku, stąd nazwa polowy (unipolarny).

Tranzystory polowe, zwane w skrócie FET (ang. Field Effect Transistor), mają kanał typu P lub kanał typu N, który może być wzbogacony lub zubożony. W tranzystorach z kanałem typu N nośnikami prądu są elektrony, a w tranzystorach z kanałem typu P nośnikami prądu są dziury.

W tranzystorach polowych między elektrodami płynie prąd nośników jednego rodzaju, prąd nośników większościowych. Wartość prądu przepływającego przez tranzystor polowy jest zależna od wartości napięcia przyłożonego między źródłem a drenem oraz od wartości rezystancji kanału, która wyrażona jest wzorem:

;

gdzie: ၭ, N - ruchliwość i koncentracja nośników w kanale, l, h, w - wymiary kanału.

Tranzystorów polowe dzielimy na:

• Tranzystory polowe złączowe - JFET (ang. Junction FET),

• Tranzystory polowe z izolowaną bramką - IGFET lub MOSFET (ang. Insulated Gate FET lub Metal Oxide Semiconductor FET).

• Tranzystory polowe cienkowarstwowe TFT (ang. Thin Film Transistor).

W tranzystorach polowych elektrody mają swoją nazwę i określony symbol:

• Źródło (ang. Source), oznaczone literą S. Jest elektrodą z której wypływają nośniki ładunku do kanału. Prąd źródła oznacza się jako I_s.

• Dren (ang. Drain), oznaczone literą D. Jest elektrodą do której dochodzą nośniki ładunku. Prąd drenu - I_D, napięcie dren-źródło - U_DS.

• Bramka (ang. Gate), oznaczone literą G. Jest elektrodą sterującą przepływem ładunków. Prąd bramki - I_G, napięcie bramka-źródło - U_GS.

7.1. TRANZYSTORY POLOWE ZŁĄCZOWE - JFET.

Tranzystor polowy złączowy składa się zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu n - w tranzystorach z kanałem typu N lub z półprzewodnika typu p - w tranzystorach z kanałem typu P. Warstwa ta tworzy kanał. Do obu końców kanału dołączone są elektrody. Symbole graficzne przedstawiono na rysunku 7.1. Tranzystor może być także wzbogacany lub zubożany.

Tranzystory te należy polaryzować tak, aby:

• nośniki poruszały się od źródła do drenu,

• złącze bramka-kanał było polaryzowane zaporowo.

a) b)

Rys. 7.1. Symbole graficzne tranzystora polowego złączowego JFET.

a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P.

7.2. ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA POLOWEGO JFET

Źródło i dren tranzystora polowego są spolaryzowane tak, aby umożliwić przepływ nośników większościowych przez kanał w kierunku od źródła do drenu. W tranzystorze z kanałem typu P od źródła do drenu przepływają dziury, a w tranzystorze z kanałem typu N od źródła do drenu przepływają elektrony. Złącze bramka-kanał w obu tranzystorach powinny być spolaryzowane w kierunku zaporowym.

Zasada działania tranzystora polowego JEFT pokazana jest na rysunku 7.2. Jeżeli napięcie U_GS = 0 i U_DS ma małą wartość (rys.7.2a), to prąd zmienia się liniowo w funkcji przykładnego napięcia - tranzystor zachowuje się jak rezystor. Podczas narastania napięcia U_DS złącze kanał-bramka (PN) jest coraz silniej polaryzowane zaporowo, przy czym polaryzacja ta jest silniejsza w pobliżu drenu (rys.7.2b). Przy pewnej wartości napięcia U_DS. = U_Dssat = U_p, następuje zamknięcie (odcięcie) kanału (rys.7.2c) przy drenie.

Dalszy wzrost napięcia powoduje, że kanał jest zamykany coraz bliżej źródła (punkt Y - Y'). Przyrost napięcia rozkłada się na warstwie zaporowej, nie powodując dalszego wzrostu prądu. Rozszerza się warstwa zaporowa, czyli zwiększa głębokość jej wnikania w kanał. Tranzystor wchodzi w stan nasycenia, a prąd przez niego płynący jest prądem nasycenia.

Ze wzrostem napięcia U_GS:

• maleje wartość płynącego przez tranzystor prądu;

• przy mniejszych wartościach napięcia U_DS następuje zamknięcie kanału, czemu odpowiada mniejsza wartość prądu nasycenia (rys.7.2b).

Rys. 7.2. Zasada działania tranzystora polowego - JFET.

a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie się warstwy zaporowej w wyniku przyłożonego napięcia U_DS., c) odcięcie kanału (Y), d) nasycenie tranzystora. U_p = U_Gsoff - napięcie odcięcia kanału.

7.3. PARAMETRY I CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORA POLOWEGO JEFT.

Tranzystory polowe charakteryzują się:

• parametrami statycznymi dla dużych wartości sygnałów,

• parametrami dynamicznymi dla małych wartości sygnałów.

Właściwości statyczne tranzystora polowego opisują rodziny charakterystyk przejściowych i wyjściowych.

Charakterystyki tranzystora złączowego:

• charakterystyka przejściowa - przedstawia zależność prądu drenu I_D od napięcia bramka-źródło U_GS, przy ustalonej wartości napięcia dren-źródło U_DS (rys.7.3). Charakterystyki przejściowe zależą od temperatury.

Wielkościami charakterystycznymi krzywych są:

1. Napięcie odcięcia bramka-źródło U_GS(off). Jest to napięcie jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu U_DS nie płynął prąd drenu.

2. Prąd nasycenia I_DSS. Jest to prąd płynący przy napięciu U_GS = 0 i określonym napięciu U_DS.

Rys. 7.3. Charakterystyka przejściowa tranzystora złączowego.

• Charakterystyka wyjściowa. Przedstawia zależność prądu drenu I_D od napięcia dren-źródło U_DS, przy stałym napięciu bramka-źródło U_GS (rys.7.4).

Rys.7.4. Charakterystyka wyjściowa tranzystora złączowego.

a - odpowiada stanowi z rys.7.2a, b - odpowiada stanowi z rys.7.2b,

c - odpowiada stanowi z rys.7.2c, d - odpowiada stanowi z rys.7.2d.

Parametry statyczne:

• prąd wyłączenia I_D(off),

• rezystancja statyczna włączenia R_DS.(on),

• rezystancja wyłączenia R_DS.(off),

• prądy upływu.

Parametry graniczne:

• dopuszczalny prąd drenu I_Dmax (od kilku do kilkudziesięciu miliamperów),

• dopuszczalny prąd bramki I_Gmax,

• dopuszczalne napięcie dren-źródło U_Dsmax (od kilku do kilkudziesięciu woltów) lub bramka-źródło U_Gsmax,

• dopuszczalne straty mocy P_totmax Ⴛ P_Dmax (od kilkudziesięciu do kilkuset miliwoltów).

7.4 SCHEMAT ZASTĘPCZY TRANZYSTORA ZŁĄCZOWEGO.

Dla tranzystora złączowego możemy utworzyć schemat zastępczy (rys. 7.5).

Rys. 7.5. Schemat zastępczy tranzystora złączowego.

Na rysunku tym:

C_gs, C_gd - pojemności warstwy zaporowej,

g_gs, g_gd - konduktancje bramka-źródło i bramka-dren,

g_m - transkonduktancja,

g_ds - konduktancja wyjściowa.

Są one określone następującymi zależnościami:

- transkonduktancja dla zakresu nienasycenia,

- transkonduktancja dla zakresu nasycenia,

- konduktancja wyjściowa dla zakresu nienasycenia,

- konduktancja dla zakresu nasycenia.

Częstotliwość maksymalna w tranzystorze zależy od czasu przelotu nośników przez kanał i od stałej czasowej ładowania pojemności kanał-bramka C_g, i jest równa częstotliwości granicznej

.

Maksymalna częstotliwość generacji

,

przy czym r_d oznacza rezystancję kanału.

7.5. TRANZYSTORY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ MOSFET.

Tranzystor z izolowaną bramką (rys. 7.6) jest to najczęściej tranzystor o konstrukcji MIS (MOS) z kanałem typu N lub typu P, izolowanym od bramki warstwą dielektryka.

Rys. 7.6. Zasada działania tranzystora z izolowaną bramką.

a) zakres liniowy, b)odcięcie kanału, c) nasycenie tranzystora.

B - podłoże.

7.5.1. ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA MIS (MOS).

Zasadę działania tranzystora MIS (MOS) omówimy na przykładzie najczęściej spotykanej polaryzacji, tj. przy zwartym źródle i podłożu. Jeżeli do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie, to powstanie kanał wzbogacony, a jeśli ujemne, to powstanie kanał zubożony. W tranzystorze z kanałem wzbogaconym, wzrost napięcia U_GS powyżej wartości napięcia progowego U_T powoduje powstanie kanału.

Napięcie progowe U_T jest to napięcie, jakie należy przyłożyć do bramki, aby powstała warstwa inwersyjna.

Każdy następny przyrost napięcia U_GS powoduje przyrost ładunku wprowadzanego przez bramkę, który jest kompensowany ładunkiem nośników powstającego kanału. W tranzystorze z kanałem zubożonym, wzrost napięcia U_GS powoduje silniejsze zubożenie kanału, aż wreszcie przy pewnej jego wartości, równej tzw. napięciu odcięcia U_Gsoff, kanał zanika.

Jeżeli napięcia U_DS i U_GS będą porównywalne, to prąd drenu będzie zależny liniowo od napięcia U_DS - kanał pełni wówczas funkcję rezystora liniowego (rys. 7.6a). Dalszy wzrost napięcia U_DS powoduje, tak jak w tranzystorze złączowym, spadek napięcia na rezystancji kanału. W okolicy drenu następuje zmniejszanie inwersji, aż do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy o odcięciu kanału. Wartość napięcia U_DS, przy której następuje odcięcie kanału nazywamy napięciem nasycenia (rys. 7.6b).

;

Dalszy wzrost napięcia U_DS nie powoduje już wzrostu prądu drenu, ale wpływa na odcięcie kanału bliżej źródła. Mówimy wówczas, że tranzystor pracuje w stanie nasycenia (rys. 7.6c).

Tranzystor MOSFET to tranzystor polowy, w którym bramka jest oddzielona od kanału cienką warstwą izolacyjną, najczęściej utworzoną z dwutlenku SiO₂. Dzięki odizolowaniu bramki, niezależnie od jej polaryzacji, teoretycznie nie płynie przez nie żaden prąd. Praktycznie w tranzystorach JEFT prądy bramki są rzędu 1pA Ⴘ 10nA, a w tranzystorach MOSFET ok. 10³ razy mniejsze. Dlatego też w tranzystorach JEFT możemy uzyskać rezystancję wejściową układu równą 10⁹ Ⴘ 10¹² ၗ, a w przypadku tranzystorów MOSFET rezystancja wejściowa jest równa 10¹² Ⴘ 10¹⁶ ၗ.

W zależności od zjawisk fizycznych i od polaryzacji bramki, w tranzystorze tym może powstawać:

• Kanał indukowany. Kanał w postaci warstwy inwersyjnej, np. kanał typu N ma bardzo dużo elektronów, a mało dziur.

• Kanał wbudowany. Kanał w postaci warstwy akumulacyjnej wzbogacanej, np. kanał typu N ma dużo dziur i bardzo dużo elektronów, lub zubożonej, np. kanał typu N ma mało elektronów i mało dziur. Są one inaczej określane jako warstwy domieszkowane o przeciwnym typie przewodnictwa w stosunku do podłoża.

W tranzystorach z kanałem wbudowanym przy napięciu U_GS = 0 płynie pewien prąd, który zmniejsza się przy zwiększaniu napięcia sterującego bramki. Takie tranzystory nazywa się tranzystorami normalnie złączonymi lub pracującym na zasadzie zubożania nośników w kanale (tranzystory z kanałem zubożanym).

W tranzystorach z kanałem indukowanym, gdy do bramki doprowadzi się napięcie ujemne w stosunku do podłoża, wówczas źródło zostaje oddzielone od drenu dwoma przeciwnie spolaryzowanymi złączami p-n. Jest to tzw. stan akumulacji. Prąd źródło-dren stanowi wtedy prąd wsteczny jednego ze złączy. Ma on znikomo małą wartość. Mały prąd płynie także przy U_GS = 0. Dlatego też te tranzystory nazywane są tranzystorami normalnie wyłączonymi.

Gdy do bramki doprowadzi się napięcie dodatnie w stosunku do podłoża, wówczas po przekroczeniu pewnej wartości, tzw. napięcia progowego U_T, przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa przeciwnego typu niż półprzewodnik stanowiący podłoże. Jest to warstwa inwersyjna. Warstwa ta stanowi zaindukowany kanał, który po doprowadzeniu napięcia polaryzującego źródło-dren - umożliwia przepływ prądu od źródła do drenu. Ze wzrostem napięcia U_GS prąd drenu wzrasta. Tranzystory te nazywane są tranzystorami z kanałem wzbogaconym.

Tranzystory z kanałem zubożanym i tranzystory z kanałem wzbogacanym mogą mieć kanały typu N lub typu P. Istnieją cztery podstawowe rodzaje tranzystorów z izolowaną bramką (tab.7.1).

Tabela 7.1

Rodzaje tranzystorów z izolowaną bramką.

7.6.CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORÓW MOSFET.

Podstawowymi charakterystykami tranzystora MOSFET są:

• Charakterystyka przejściowa. Zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło, przy stałym napięciu źródło-dren.

• Charakterystyka wyjściowa. Zależność prądu drenu od napięcia źródło-dren, przy stałym napięciu bramka-źródło.

Można je wyrazić następującymi zależnościami:

• w zakresie liniowym prąd drenu ma postać:

;

• w zakresie nasycenia prądu drenu ma postać:

;

przy czym: ၢ - współczynnik transkonduktancji (parametr zależny od właściwości tranzystora), U_T - napięcie progowe.

Tranzystory MOSFET charakteryzują się tymi samymi parametrami co tranzystory JEFT.

Tranzystory MOSFET mają czwartą elektrodę - podłoże, oznaczone symbolem B. Spełnia ona podobną rolę sterującą jak bramka. Jest ona oddzielona od kanału tylko złączem p-n. Gdy nie korzysta się z funkcji podłoża, wówczas łączy się je ze źródłem. Połączenie to może być wykonane wewnątrz obudowy i wtedy nie ma wyprowadzenia na zewnątrz.

Zalety tranzystorów polowych:

• duża rezystancja wejściowa,

• małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości),

• możliwość autokompensacji temperaturowej,

• odporność na promieniowanie,

• małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych.

Tranzystory mogą pracować w trzech podstawowych konfiguracjach:

1. Układ o wspólnym źródle - OS.

2. Układ o wspólnej bramce - OG.

Układ o wspólnym drenie - OD.

D

S

G

D

S

G

Cgs

Cgd

Cds

ggs

ggd

gds

gmUgs

Ugs

Uds

G

D

S

S

Ig

Id

---