Przemysław Jakubiec grupa Z-22

TEMAT: Tranzystory polowe

1. Tranzystory polowe - wiadomości wstępne.

Tranzystory polowe zwane również unipolarnymi i kanałowymi, należą podobnie jak tranzystory bipolarne do grupy elementów aktywnych, umożliwiających wzmacnianie, przetwarzanie, przełączanie i generację sygnałów elektrycznych. Sterowanie w tranzystorach unipolarnych odbywa się przez oddziaływanie pola elektrycznego na liczbę większościowych nośników ładunku w strefie półprzewodnikowej, zwanej kanalem.

Stosowane są dwa zasadnicze rodzaje tranzystorów polowych FET (ang. Field Effect Transistor):

a) tranzystory polowe zlączowe JFET (ang. Junction FET), które mogą być ze złączem p-n (PNFET) lub ze złączem m-s (MESFET). Wykonuje się je z krzemu, z wyjątkiem tranzystorow mikrofalowych MESFET wytwarzanych z arsenku galu.

b) tranzystory z izolowaną bramką IGFET (ang. Insulated Gate FET), które są także znane pod nazwą tranzystorów unipolarnych typu metal-dielektryk-półprzewodnik, czyli MOSFET lub MISFET (ang. Metal-Insulator-Semiconductor). Funkcję dielektryka w tych tranzystorach spełnia najczęściej warstwa tlenku SiO2 (ang. Oxide). Należy jednak pamiętać, że obie nazwy (MOSFET i MISFET) tradycyjnie odnoszą się tylko do tranzystorów wykonanych z półprzewodnika monokrystalicznego. Tranzystory IGFET wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego przyjęło się, nazywać cienkowarstwowymi TFT (ang. Thin Film Transistor) ze względu na spójność technologii wytwarzania tych tranzystorów z technologią wytwarzania układów scalonych cienkowarstwowych.

Tranzystor polowy podobnie jak tranzystor bipolarny jest elementem trójkońcówkowym. Poszczególne końcówki tranzystora polowego są oznaczone inaczej niż tranzystora bipolarnego: S - źródło (ang. Source), G - bramka (ang. Gate), D - dren (ang. Drain).

 

OGÓLNA KLASYFIKACJA TRANZYSTORÓW POLOWYCH.

2. Tranzystory polowe złączowe JFET.

Powrót.

1. Budowa i zasada działania.

2. Symbole tranzystorów polowych.

3. Sposób polaryzacji tranzystorów polowych złączowych.

4. Parametry statyczne i dynamiczne tranzystorów polowych złączowych.

 

1. Budowa i zasada działania.

Tranzystory polowe złączowe wytwarza się metodą epitaksjalno-polarną, wcześniej produkowano je metodą stopową a później dyfuzyjną. Technologia tych tranzystorów przebiega podobnie jak technologia tranzystorów bipolarnych. Tranzystory polowe złączowe mają na powierzchni bocznej kanału wykonane złącze p-n lub m-s. W złączu tym pod wpływem napięcia przykładanego do nich wytwarza się pole elektryczne prostopadłe do kanału. Powoduje to zmianę przekroju kanału, gdyż warstwa przejściowa złącza zachodzi na kanał, a więc zmiana jej grubości pod wpływem zmian napięcia wywołuje zmianę grubości kanału.

Wytwarza się tranzystory z kanałem typu n oraz typu p. Mechanizm działania obu rodzajów tranzystorów jest taki sam, z tą różnicą, że w kanale typu n prąd jest tworzony przez elektrony, w kanale typu p zaś przez dziury, a normalna polaryzacja elektrod w tych tranzystorach ma przeciwną biegunowość.

Zasadę działania tranzystora polowego z kanałem typu p można opisać w następujący sposób. Do płytki półprzewodnika typu p dołączamy elektrodę dodatnią baterii zasilającej. Elektrodę tą nazywamy źródłem - S. Z drugiej strony płytki dołączamy elektrodę ujemną baterii zasilającej. Elektrodę tą nazywamy drenem - D. W tak podłączonym układzie dziury poruszają się od źródła - S do drenu - D, gdzie ulegają rekombinacji z dopływającymi elektronami. Zmieniając rezystancję płytki półprzewodnikowej możemy sterować przepływem ładunków. Na powierzchni półprzewodnika typu p wytwarza się cienką warstwę półprzewodnika typu n, tworząc elektrodę, którą nazywamy bramką - G.

Jeżeli między źródło - S i bramkę - G doprowadzimy napięcie w kierunku zaporowym, to w ten sposób w zależności od wartości napięcia między źródłem a bramką zmieni się szerokość obszaru pozbawionego nośników ładunków elektrycznych. Poniższy rysunek przedstawia przypadek, gdy napięcie Uds=0, wówczas na szerokość kanału ma wpływ tylko napięcie Uds. Natomiast zwiększanie napięcia w kierunku zaporowym zwiększa obszar braku nośników (obszar izolacji).

W tranzystorze polowym mogą wystąpić następujące zjawiska:

a) Jeżeli doprowadzimy napięcie między elektrody Uds=0, wówczas przez kana nie przepływa prąd, a napięcie sterujące bramkę Ugs powoduje równomierną szerokości kanału; jak na rysunku (rys. l).

b) Gdy przy dalszym wzroście napięcia Ugs osiągniemy taki stan, że kanał, przez który przepływąją ładunki elektryczne zostaje zamknięty (zatkany), to napięcie takie nazywamy napięciem odcięcia kanału - Up (ang. pinch-off voltage).

c) Jeżeli między źródło - S i dren - D doprowadzimy napięcie Uds różne od zera, to spadek napięcia na rezystancji kanału powoduje powstanie dodatkowego napięcia polaryzującego złącze p-n w kierunku zaporowym. I dlatego napięcie polaryzujące:

- w pobliżu elektrody źródła - S będzie równe Ugs;

- w pobliżu elektrody drenu - D będzie równe Ugs + Uds; napięcie to będzie mniejsze od napięcia odcięcia Up, jeżeli kanał nie jest zatkany. Kształt takiego kanału przedstawia rysunek (rys. 2).

Tranzystor z kanałem zatkanym przedstawia rysunek (rys.3).

Zwiększając napięcie zaporowe włączone między bramkę - G i źródło - S (Ugs), kanał w tranzystorze ulega zmniejszeniu i rezystancja między źródłem - S, a drenem D również zwiększa się. W chwili, gdy napięcie polaryzacji (w kierunku zaporowym) będzie odpowiednio duże i osiągnie wartość napięcia odcięcia Up (od 1 do 10V) wówczas prąd między źródłem a drenem przestaje płynąć. A więc rezystancja połączenia dren-źródło jest bardzo duża. Rezystancja kanału p może się zmieniać od wartości ok. 100 do wartości wielu megaomów. Wzrastające napięcie Ugs (powyżej napięcia odcięcia) zwiększa obszar braku nośników (obszar izolacji) w kierunku elektrody D.

 2. Symbole tranzystorów polowych.

a) z kanałem typu n.

b) z kanałem typu p.

 

3. Sposób polaryzacji tranzystorów polowych złączowych.

a) z kanałem typu n.

b) z kanałem typu p.

 

4. Parametry statyczne i dynamiczne tranzystorów polowych złączowych.

a) Parametry statyczne.

Tranzystory unipolarne złączowe określa się przez podanie szeregu parametrów dla dużych wartości sygnałów, które nazywamy parametrami statycznymi. Jednyrn z podstawowych parametrów tranzystorów polowych jest na napięcie odcięcia bramka-źródło Ugsoff (Up). Jest to napięcie, jakie należy doprowadzić do bramki - G, aby przy ustalonym napięciu Uds nie płynął prąd drenu Id. Przyjmuje się, że przy napięciu Ugsoff prąd drenu nie przekracza określonej wartości (najczęściej 1 lub 10 mikroampera).Parametr ten najlepiej opisuje charakterystyka przejściowa przedstawiająca zależność prądu drenu Id od napięcia bramka-źródło Ugs przy ustalonej wartości napięcia dren-źródło Uds.

Charakterystyki statyczne tranzystora unipolarnego typu "n" ;charakterystyki przejściowe.

Charakterystyka przejściowa jest zależna od temperatury. Korzystając z powyższego rysunku można zauważyć, że krzywe wyznaczone przy różnych wartościach temperatury przecinają się w jednym punkcie A o współrzędnych Ugsz i Idsz. Współczynnik temperaturowy prądu drenu w tym punkcie jest równy zero. Jest to jedną z zalet tranzystorów unipolarnych, gdyż wówczas mamy możliwość doboru punktu pracy. Drugim istotnyrn parametrem charakteryzującym właściwości tranzystora polowego złączowego jest prąd nasycenia drenu Idss mierzony przy napięciu bramka - źródło Ugs = 0 i napięciu dren - źródło Uds większym lub równym napięciu odcięcia kanału w zakresie pentodowym ch-yk wyjściowych.

Charakterystyka statyczna tranzystora unipolarnego złączowego typu "n" ; charakterystyki wyjściowe.

Ch-yki wyjściowe przedstawiają zależność prądu drenu Id od napięcia dren-źródło Uds przy napięciu bramka-źródło Ugs jako parametrze. W ch-kach tych można wyodrębnić trzy podstawowe zakresy. Pierwszy z nich przedstawia tzw. zakres liniowy lub triodowy. W tym zakresie tranzystor zachowuje się jak zwykły rezystor półprzewodnikowy. Ze wzrostem napięcia Uds prąd Id rośnie niemal liniowo.

Gdzie: Gc - konduktancja kanału przy Ugs = 0; Qc - ładunek elektryczny, jaki istnieje przy Ugd = 0; a Cg - pojemność złącza. Drugim wyodrębnionyrn zakresem jest zakres nasycenia (2), który również nazywamy pentodowym. W zakresie tym napicie dren-źródło Uds w nieznacznym stopniu wpływa na wartość prądu drenu Id. Bramka zaś zachowuje właściwości sterujące. Prąd drenu możemy wyznaczyć wg. wzoru.

gdzie wykładnik potęgi n przyjmuje się najczęściej równy dwa.

Przy pracy tranzystora unipolarnego w układzie wzmacniacza, prawie zawsze, punkt pracy znajduje się w obszarze nasycenia. Trzeci zakres ch-yk wyjściowych tranzystora jest zakres powielania lawinowego lub inaczej obszar lawinowy. Z powodu możliwości trwałego uszkodzenia tranzystora nie korzysta się z niego.

Oprócz podstawowych parametrów statycznych, czyli napięcia odcięcia Ugsoff i prądu nasycenia Idss należy również wymienić:

- Idoff - prąd wyłączenia; jest to prąd drenu Id płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem większyrn od napięcia odcięcia Ugsoff (Up).

-rdson - rezystancja statyczna włączenia między drenem, a źródłem tranzystora pracującego w zakresie rezystancyjnym charakterystyki Id = f (Uds) w warunkach maksymalnego przewodzenia kanału, a więc tranzystorach FET przy Ugs = 0.

-rdsoff - rezystancja statyczna wyłączenia między drenem, a źródłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia tzn. |Ugs|<|Ugsoff| oraz prądy upływu i napięcia przebicia między poszczególnymi elektrodami. Należy również pamiętać, aby nie przekraczać parametrów granicznych do których zaliczamy: maksymalny prąd drenu Idmax (typowe wartości wynoszą od kilku do kilkudziesięciu miliamperów), maksymalny prąd bramki Igmax, maksyrnalne napięcie dren-źródło Udsmax (typowe wartości - od kilkunastu do kilkudziesięciu woltów) lub bramka-źródło Igsmax i maksymalną moc strat przy stałej temperaturze złącza Ptotmax (typowe wartości - od kilkudziesięciu do kilkunastu mW).

b) Parametry dynamiczne.

Parametry dynamiczne tranzystorów unipolarnych odnoszą się do małych wartości sygnałów.

Jednym z podstawowych parametrów charakteryzujących właściwości wzmacniające tranzystora polowego jest transkonduktancja inaczej konduktancja wzajemna, określana wzorem:

Następnym parametrem jest rezystancja wyjściowa zwana także rezystancją drenu. Definiuje się ją jako stosunek przyrostu napięcia źródło-dren do przyrostu prądu drenu, wywołanego tym przyrostem napięcia, czyli:

Współczynnik wzmocnienia ku dla tranzystora unipolarnego:

Wartość ku, rds i gm są związane zależnością:

W zakresie częstotliwości średnich należy dodatkowo uwzględnić pojemności tranzystora unipolarnego, wtedy schemat zastępczy przyjmie postać pokazaną na poniższych rysunkach. Liniami przerywanymi zaznaczono rezystancje rgs i rgd, związane ze zjawiskiem upływności między bramką a źródłem i między bramką a drenem.

Schemat zastępczy tranzystora unipolarnego FET w zakresie małych częstotliwości.

Schemat zastępczy tranzystora unipolarnego FET w zakresie średnich częstotliwości.

Tranzystory polowe złączowe mają szereg zalet, jak mały poziom szumów własnych, dużą odporność na zakłócenia zewnętrzne typu radiowego oraz mały pobór mocy (rzędu ułamka miliwata).

Wadą tych tranzystorów jest dużo większa zależność parametrów od temperatury, mniejsza częstotliwość graniczna oraz mniejsza niezawodność niż bipolarnych tranzystorów krzemowych. Mniejsza niezawodność wynika z tego, że tranzystory polowe mogą łatwo uszkodzić się na skutek nagromadzenia ładunku elektrostatycznego na elektrodzie bramki. Tranzystory polowe są stosowane we wzmacniaczach prądu stałego, wzmacniaczach napięciowych w zakresie małych, średnich i wielkich częstotliwości. Są również stosowane w układach generacyjnych, gdyż mają szereg zalet, jak bardzo małe obciążenie obwodu rezonansowego (w generatorach LC) lub rezonatora kwarcowego (w generatorach kwarcowych), dobrą separację od obciążenia i mniejszą wrażliwość na wahania napięcia zasilającego.

3. Tranzystory polowe z izolowaną bramką.

Powrót.

l. Budowa i zasada działania.

2. Przykładowe kształty charakterystyk statycznych tranzystorów MOSFET. Tranzystor MOSFET z kanałem zubożonym (kanał wbudowany).

 

1. Budowa i zasada działania.

Tranzystor unipolarny z izolowaną bramką MOS lub MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), właściwościami i częściowo budową jest zbliżony do tranzystora unipolarnego złączowego. W tranzystorach polowych z izolowaną bramką, powierzchnia półprzewodnika nad kanałem jest odizolowana od metalowej bramki warstwą dielektryku. Zwykle jako dielektryk stosuje się dwutlenek krzemu Si02, który wytwarza się bezpośrednio na powierzchni półprzewodnika techniką utleniania termicznego krzemu. Pole elektryczne w tranzystorach polowych z izolowaną bramką jest doprowadzone przez powierzchniową warstwę dielektryku. Tranzystory te różnią się od tranzystorów polowych złączowych tym, że złącze p-n (spolaryzowane w kierunku zaporowym) zostało zastąpione przez układ metal-dielektryk-półprzewodnik. Tranzystory polowe z izolowaną bramką są oznaczone w literaturze symbolem IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). Do grupy tych tranzystorów należą:

a) Tranzystory z bramką utworzoną przez metalową elektrodę, która jest oddzielona od kanału przewodzącego cienką warstwą izolacyjną, utworzoną przez tlenek krzemu, symbolem tej grupy jest skrót MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

b) Tranzystory cienkowarstwowe. Symbolem tej grupy jest skrót TFT (Thin Film Transistor).

Tranzystory z izolowaną bramką w zależności od napięcia polaryzującego bramkę mogą:

- nie przewodzić przy braku napięcia polaryzującego bramkę. Tranzystory takie nazywają się tranzystorami normalnie wyłączonymi (albo pracującymi przy wzbogacaniu nośników)

- przewodzić przy braku. napięcia polaryzującego bramkę. Tranzystory takie nazywają się tranzystorami normalnie załączonymi (albo pracującymi przy zubożeniu nośników w kanale).

Oba rodzaje pracy można uzyskać w tranzystorach o kanale typu n lub kanale typu p.

Na poniszych rysunkach przedstawiono typowe konstrukcje tranzystorów typu MOS. Między obszarami typu n tworzy się kanał o przewodności typu n i konduktywności oraz przekroju zależnym od wartości pola elektrycznego, wytworzonego przez napięcie Ugs.

a) tranzystor normalnie wyłączony.

b) tranzystor normalnie włączony

c) symbole tranzystorów typu MOS z jedną lub dwoma bramkami:

- z jedną

- z dwoma

Tranzystory tej grupy charakteryzują się:

- częstotliwością graniczną do kilkuset MHz,

- mocą admisyjną do części wata,

- rezystancją wyjściową ok. 10k,

- rezystancją wejściową ok. 10do12.

Na poniższym przedstawiono budowę tranzystora polowego cienkowarstwowego.

Tranzystory te różnią się od tranzystorów MOS tym, że cieniutka warstwa półprzewodnika (ok. 1 mikrometr) jest naniesiona na podłoże szklane lub ceramiczne. Charakterystyki tych tranzystorów są podobne do charakterystyk tranzystorów typu MOS.

 

2. Przykładowe kształty charakterystyk statycznych tranzystorów MOSFET. Tranzystor MOSFET z kanałem zubożonym (kanał wbudowany).

 

Z kanałem typu n.

a) charakterystyka przejściowa.

b) charakterystyka wyjściowa.

Z kanałem typu p.

a) charakterystyka przejściowa.

b) charakterystyka wyjściowa.

 

Charakterystyki tranzystorów MOSFET mają przebieg zbliżony do charakterystyk tranzystorów FET. Można je wyrazić następującymi zależnościami:

- w zakresie liniowym

- w zakresie nasycenia

Napięcie progowe Ut odpowiada napięciu odcięcia tranzystorów FET.

Do zalet tranzystorów polowych z izolowaną bramką należy zaliczyć:

- bardzo małe rozmiary,

- bardzo małą rezystancję wejściową,

- możliwość wykorzystania pojemności bramka-źródło do zapamiętywania informacji, co pozwala na ich zastosowanie jako elementów pamięci maszynowych,

- możliwość stosowania w bardzo niskich temperaturach,

- niski poziom szumów.

Do wad tranzystorów polowych z izolowaną bramką zalicza się:

- łatwość uszkodzenia na skutek nagromadzenia ładunku elektrostatycznego na elektrodzie bramki,

- małokorzystne wartości niektórych parametrów, np. niewielka transkonduktancja, duża rezystancja w stanie załączenia, duże napięcie progowe.

BIBLIOGRAFIA

„Tranzystory polowe złączowe” - Zdzisław Korzec , Tomasz Kacprzak

„Tranzystory polowe” - Zdzisław Korzec

„Teoria i zastosowanie tranzystorów polowych” - Richard S.C.Cobbold

Internet

---