ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

5. Tranzistory, řízené polem

(FETy)

Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Unipolární tranzistory

Tranzistory řízené polem

Nebo jiný název

FET - Součástka se třemi elektrodami:

• Emitor (S- Source)

• Hradlo (G – Gate),

• Kolektor (D – Drain),

• případně ještě pomocná elektroda: Hmota (B – body)

(FETy - Field Effect Tranzistors)

(Procesů se účastní pouze nosiče jednoho znaménka)

Tranzistory řízené polemÚvod

Struktura:

• Existuje větší počet různých struktur

• Společný princip všech FETů:Nosiče jednoho znaménka procházejí vrstvou polovodiče – kanálem, od emitoru (S) ke kolektoru (D) a jejich průchod je regulován elektrickým polem E hradla (G)

SG D

Kanál N

-E

Tranzistor JFETStruktura

Kanál typu N (proud je přenášen elektrony) nebo P (proud je přenášen dírami)

• Hradlo je od kanálu izolováno vyprázdněnou oblastí P-N přechodu

• Popis provedeme pro idealizovaný JFET s kanálem typu N:

Tranzistor bez předpětí

S

G

Kanál

P++

N

Vyprázd. oblast

d0 2aD

LgG ND … dotace kanálu

NP … dotace hradla

D

S

G

Schématická značka (kanál N)

Pro kanál P má šipka opačný směr

Tranzistor JFETPopis činnosti při UDS = 0 V

A

D2Dp0 N

N1aN

2ε

eU

S

G

D

UGS=Up0

G UGS=Up0

0 V 0 V

S

G

dD

UGS=-1 V

UGS=-1 V G

0 V 0 VUGS=0 V

S

G

Kanál N d0 2aD

LgG

0 V 0 V

Při snižování napětí na hradle UGS se postupně zužuje šířka d nevyčerpané oblasti až při napětí zaškrcení (kanálu) Up0 dojde k úplnému přerušení vodivého spojení mezi emitorem a kolektorem:

2

p0GS a

daUU

Tranzistor JFETPopis činnosti při předpětí hradla i kolektoru

23

p0

DS

DS

p02

3

p0

DSGS

DS

p0

p0

DS0D

U

U

U

U

3

2

U

UU

U

U

3

21

U

UII

S

G

d D

UGS=-1 V

UGS=-1 V G

UDS = +5 V

0 V

Při růstu napětí UDS roste proud kolektoru ID ale protože se současně dále zaškrcuje kanál, neroste lineárně:

p0

GS

p0

0

GS

Dm U

U1

U

I

U

Ig

Velmi důležitým parametrem, zachycujícím zesilovací schopnost tranzistoru FET je přenosová vodivost gm (strmost), která je na nízkých kmitočtech shodná s parametrem y21:

Tranzistor JFETCharakteristiky

UDS/Up0

UGS/Up0 = 0

0,1

0,2

0,4

0,8

ID/I01

1

Kolektorové charakteristiky

UGSUp0

ID

I0

Převodní charakteristiky

UDS = Up0

UDS < Up0

UDS > Up0

Tranzistor JFETCharakteristiky

Kolektorové charakteristiky pro vyšší napětí UDS

UDS/Up0

UGS = 0ID/I01

1

Oblast saturace

Jakmile se kanál zaškrtí (UDS=Up), přestane mít zvyšování napětí UDS vliv na proud kolektoru – dojde k saturaci:

S

G

D

G

UDS>Up

zaškrcená část

UDS-Up

U1Up-U1

Tranzistor JFETRežimy činnosti

A) Režim ochuzování: Up0 0

• při nulovém UGS tranzistorem teče

proud• pracovní režim: UGS 0

• kanál se přiloženým záporným napětím přivírá

• dobrá linearita, dobré šumové vlastnosti, vysoké kmitočty, velká spotřeba

B) Režim obohacování: Up0 0

• při nulovém UGS tranzistorem neteče proud

• pracovní režim: UGS 0

• nízká spotřeba, horší šum, horší vf vlastnosti

UGSUp01

ID

Převodní charakteristiky

Up02

Režim ochuzování

Režim obohacování

Tranzistor JFETLinearizované vf náhradní schéma

CG

CDGG

S

DRG

RiRS

RDGD

ID

A) Vnitřní tranzistor bez šumu

CG … kapacita vyprázdněné oblasti přechodu G-S

Ri … nabíjecí odpor hradla

ID = UGSgm0 … náhradní proudový zdroj kolektoru

GD = ID/UDS … výstupní diferenciální vodivost

CDG … mezielektrodová kapacita

RG, RS, RD … přívodní odpory elektrod

Tranzistor JFETLinearizované vf náhradní schéma

CGSCDS

CG

CDGG

S

DRG

RiRS

RDGD

uSn

uGn uDn

ID

iDn

B) Úplné schéma

CGS, CDS … vnější mezielektrodové kapacity

uGn, uSn, uDn … šumová napětí tepelného šumu parazitních odporů RG, RS, RD

iDn … šumový proudový zdroj kanálu (výstřelový šum)

Tranzistor JFETDynamické vlastnosti

m

G0GG g

C

v

Lτ

2

1

GSim0G

DGDGSGiDGTMAG

MAG

2RRRgC

C2CRRRG4Cff

f

fMAG

Pro JFET je z hlediska dynamických vlastností kritická doba průchodu nosičů kanálem (přesněji pod hradlem) G:

LG

wG

ND d

S

GD

kde: v … je rychlost nosičů pod hradlem

CG0 … je kapacita hradla při UGS = 0 V

Tranzitní kmitočet: Maximální dosažitelný zisk:

GT 2π

1f

Tranzistor JFETSkutečné provedení, vlastnosti, aplikaceŘez strukturou

S G D

Kanál N

P++

Podložka P- 200 m

2 m

Materiál – obvykle Si

Vlastnosti - Aplikace

• Vysoká vstupní impedance

• Dobrá odolnost proti statické elektřině

• Dobrá zatížitelnost

• Velké zbytkové napětí

• Technologie kompatibilní s bipolárními tranzistory

• Vhodné jako vstupní tranzistory v bipolárních integrovaných obvodech

• Nevhodné pro spínání velkých proudů

Tranzistor MESFET

Řez strukturou s kanálem N

S G D

Kanál N

N++

Intrinzická podložka (bez dotace)

100 m

1 m

Materiál – obvykle GaAs

Přechod kov - polovodič

MESFET = Metal – Semiconductor = přechod Kov – polovodič

Schématická značka

D

S

G

Šipka označuje propustný směr přechodu hradlo -

kanál

Tranzistor MESFETVlastnosti

ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI:

• Funkce obdobná jako JFET

• Snadněji se dosahuje kátké hradlo (LG 0,3 m)

• GaAs má 2xvyšší pohyblivost elektronů než Si

(e 0,8 m2/s/V)

• vysoké mezní kmitočty až 100 GHz

• nízký vlastní šum na vysokých kmitočtech:

F 1 dB/10 GHz

DALŠÍ VLASTNOSTI:

• Citlivé na statickou elektřinu (Schotkyho přechod).

• Malá přetížitelnost (GaAs má horší tepelnou vodivost než Si).

• Vysoký nf šum - nevhodné pro aplikace do 1 až 10 MHz (poruchové stavy na povrchu kanálu)

• Malá účinnost (vysoké proudy kolektoru) vhodnější pro nízkovýkonové aplikace

Tranzistor MESFETAplikace

APLIKACE:

Typický mikrovlnný tranzistor pro kmitočty 1 – 100 GHz:

• Zesilovače do 100 GHz

• Oscilátory, směšovače do 100 GHz

• Přepínače, zeslabovače do 35 GHz

• Logické obvody DCFL, děličky kmitočtudo 12 GHz

• Monolitické IO

S

D

D

G

0,5m1,5m

Kanál

S G D

Princip realizace submikronového hradla

0,5m

0,1m

Tranzistor HEMT(High Electron Mobility Tranzistor)

STRUKTURA:

Kanál je tvořen velmi tenkou vrstvou s vysokou pohyblivostí

elektronů HEM

VLASTNOSTI, APLIKACE:

• Vysoká strmost gm0 vysoký kmitočet fT

• Nízké odpory přívodů RS, RG, RD nízký šum F 0,2 dB/12 GHz

• Velmi citlivý na statickou elektřinu a na přetížení

• Typický nízkošumový vysokofrekvenční tranzistor (pro pásmo 10 GHz – 100 GHz)

• Nevhodný na kmitočty f 1 GHz

S

G

D

Semiizolační GaAs

Intrinzický GaAs

Intrinzický AlGaAsN+ GaAs

N++ GaAs

Vrstva HEM

Tranzistor MOSFET(Metal Oxid Semiconductor FET)

Struktura se zabudovaným kanálem typu N:

Tranzistorem protéká proud

Podložka: Si – P-

S G D

Si N+Si N+Zabudovaný

kanál N

Izolující vrstva oxidu

SiO2

Bez předpětí hradla:

UDS = + 5 V

Podložka: Si – P-

S G D

Si N+Si N+

Běžný režim: UDS = 5 V, UGS = - 2 V, pracuje v režimu obohacování i ochuzování

UDS = + 5 VUGS = 2 V

S předpětím hradla:

Tranzistor MOSFETSTRUKTURA S INDUKOVANÝM KANÁLEM TYPU N:

S kladným předpětím hradla

Podložka: Si – P-

S G D

Si N+Si N+

Indukovaný kanál N

Izolující vrstva oxidu

SiO2

Běžný režim: UDS = +5 V, UGS = + 3 V, pracuje pouze v režimu obohacování

Bez předpětí hradla:

Tranzistorem neprotéká proud

Podložka: Si - P

S G D

Si N+Si N+

Izolující vrstva oxidu

SiO2UDS = + 5 V

Tranzistor MOSFETVlastnosti, aplikace

Základní vlastnosti:

• Vysoká impedance hradla (y11 ~ 1013 – 1015 )

• Up = 2 až 10 V

• fT = 100 MHz – 1 GHz

• Vysoké zbytkové napětí Uz 2 - 3 V

• Vysoká citlivost na statické napětí

• Lze realizovat komplementární součástky

Aplikace:

• Vstupní stupně měřicích zesilovačů a zesilovačů slabých signálů čidel

• Logické obvody s malou spotřebou a velkou integrací (CMOS)

• Výkonové zesilovače do 2 GHz

• Spínače a přepínače nízkého proudu

• Nevhodné pro spínače velkého proudu

Tranzistor MOSFETCharakteristiky

Tranzistor s indukovaným kanálem typu N:

Tranzistor se zabudovaným kanálem:

UDS

ID

UGS = 0 V

UGS = -0,5 V

UGS = - 1 V

UGS = -2 V

UGS = -3 V

V oblasti saturace roste proud!UDS

ID

Saturovaná oblastLineární oblast

UGS = 5

UGS = 3 V

UGS = 1.5 V

UGS = 0.75 V

UGS = 0.35 V

D +

S -

G + B

D +

S -

G - B

Tranzistory FETTypologie

Typy kanálu:

• Zabudovaný kanáltypu N nebo P

• Indukovaný kanáltypu N nebo P

Typy izolace hradla:

• P-N přechod

• Přechod kov- polovodič

• Heteropřechod

• Oxid

Režimy činnosti:

• S obohacením (Enhancement – E)

– při nulovém předpětí hradla neteče kolektorový proud

– předpětí hradla má stejný smysl jako napětí UDS

• S ochuzením (Depletion – D)

– při nulovém předpětí hradla teče kolektorový proud

– předpětí hradla je opačné oproti kolektorovému napětí

Tranzistor IGBTPrincip a struktura

Motivace:Při spínání velkých proudů (kA) je

důležité:

• Aby měl spínací tranzistor nízké zbytkové napětí US – jinak vznikají vysoké ztráty na tranzistoru v sepnutém stavu

PZ = USIK

• Aby byl proud řídicí elektrody nízký – jinak to způsobuje velké problémy při ovládání spínače

Problémy a řešení:• Bipolární tranzistory mají nízké zbytkové napětí US ale potřebují proud báze k řízení proudu kolektoru

• FETy nepotřebují k řízení proudu kolektoru proud hradla ale mají velké zbytkové napětí

• Řešením je integrovaná součástka, která slučuje výhody FETů a bipolárních tranzistorů:

Tranzistor IGBT

Tranzistor IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor

kanál N

G (+) E (-) G (+)

C (+)

E1: p+

B1: n-

C1: p+

SiO2

T2

D2

S2 E3

(n+)

T1

T3

B1: n+

Rb

E

G

C Schématická

značka:

Náhradní schema:

C +

G

E

Rb

T2

T1

T3

D2

S2 E3

B1

C1

E1

Tranzistor IGBTVlastnosti, aplikace

Vlastnosti:

• Vysoká vstupní impedance malé spínací ztráty, nízké nároky na budicí stupně

• Nízké saturační napětí v sepnutém stavu malé vodivostní ztráty v sepnutém stavu

• Příklad parametrů: Umax Imax fmax 1 600 V 1 200 A 20 kHz

4 500 V 4 000 A 300 Hz

Použití:

Hlavně ke spínání ve výkonových měničích a regulátorech pro pohon trakčních motorů

Tranzistor IGBTPříklad aplikace

50 Hz

3AC

f Hz3ACC0

C1

R1D1

Přepěťová ochrana

Sběrací kondenzátor

Třípulznítřífázový

usměrňovač

Třífázový střídač s

IGBT

Lp

Parazitní indukčnost

přívodů

U0

Ci L

U U, R

1

4f C,1

dm

2

p

CEM

2

d

2 1výst 1

idm.... je max. ss proud tranzistoremUCEM.... je max. přípustná velikost

spínaného napětí