31
GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1 ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044 Grup Şcolar Energetic Nr.1 Specializarea : Tehnician în automatizări Clasa 12 A PROIECT PENTRU OBȚINEREA CERTIFICATULUI DE COMPETENȚE PROFESIONALE Nivelul 3 Profesor indrumător : Elev: ing. HOLOM VASILE PETRE CONSTANTIN VICTOR 1

POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

  • Upload
    vic4444

  • View
    349

  • Download
    6

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Grup Şcolar Energetic Nr.1Specializarea : Tehnician în automatizări Clasa 12 A

PROIECT PENTRU OBȚINEREA CERTIFICATULUI DE COMPETENȚE PROFESIONALE

Nivelul 3

Profesor indrumător : Elev:

ing. HOLOM VASILE PETRE CONSTANTIN VICTOR

Anul şcolar :2009-2010

1

Page 2: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

2

Page 3: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Cuprins

I. Argument ...…………...…………………………………………………………….4.II. Tranzistorul cu efect de câmp …………………………………………………….5 2.1. Scurt istoric…………………………………………………………….....5

2.2. Generalitaţi.………..……...…………………………………………...….5 2.3. Definiţie…………………………………………….............................….6 2.4 Modul de funcţionare….….…………………..………………………..….6

2.5 Tranzistorul cu efect de câmp cu canal de tip P …….................................8 2.6.Confecţionarea tranzistoarelor cu efect de câmp…………………….……9

2.7.Observaţie…………………………………………………………….……9 2.8.Tranzistorul cu efect de câmp cu grila joncţiune (TECJ, JFET)…………. 10

2.8.1.Structura si funcţionarea TECJ…………………………………. 10 2.8.2.Caracteristicile statice, polarizarea TECJ………………………..11 2.9.Tranzistorul cu efect de câmp cu grilã izolatã (TECMOS, MOSFET)……14 2.9.1.Structura şi funcţionarea TECMOS (MOSFET)……………….. 14 2.9.2. Caracteristici statice, polarizarea TECMOS (MOSFET)……….15 2.10.. Dispozitive cu transfer de sarcină………………………………………16

III. Norme de protecţie a muncii ………………………..……………………...…...18

IV.Bibliografie……………………………………………………………….………..20

CAPITOLUL I   : ARGUMENT

3

Page 4: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Argument

Ştiinţa este un ansamblu de cunoştinţe abstracte şi generale fixate intr-un sistem coerent obţinut cu ajutorul unor metode adecvate şi având menirea de explica, prevedea şi controla un domeniu determinant al realităţii obiective.

Descoperirea şi studierea legilor şi teoremelor electromagnetismului în urmă cu un secol şi jumătate în urmă au deschis o eră noua a civilizaţiei omeneşti

Mecanizarea proceselor de producţie a constituit o etapă esenţială în dezvoltarea tehnică a proceselor de respective şi a condus la uriaşe creşteri ale productivităţii muncii. Datorită mecanizării s-a redus considerabil efortul fizic depus de om în cazul proceselor de producţie, întrucât maşinile motoare asigură transformarea diferitelor forme de energie din natură în alte forme de energie direct utilizabile pentru acţionarea maşinilor unelte care execută operaţiile de prelucrare a materialelor prime şi a semifabricatelor.

După etapa mecanizării, omul îndeplineşte în principal funcţia de conducere a proceselor tehnologice de producţie. Operaţiile de conducere nu necesită decât un efort fizic redus, dar necesită un efort intelectual important. Pe de altă parte unele procese tehnice se desfăşoară rapid, încât viteza de reacţie a unui operator uman este insuficientă pentru a transmite o comandă necesară în timp util.

Se constată astfel că la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de producţie devine necesar ca o parte din funcţiile de conducere să fie transferate unor echipamente şi aparate destinate special acestui scop, reprezentând echipamente şi aparate de automatizare. Omul rămâne însă cu supravegherea generală a funcţionării instalaţiilor automatizate şi cu adoptarea deciziilor şi soluţiilor de perfecţionare şi optimizare.

Prin automatizarea proceselor de producţie se urmăreşte asigurarea tuturor condiţiilor de desfăşurare a acestora fără intervenţia nemijlocită a operatorului uman. Această etapă presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile să asigure evoluţia proceselor într-un sens prestabilit, asigurându-se producţia de bunuri materiale la parametri doriţi.

Etapa automatizării presupune existenţa proceselor de producţie astfel concepute încât să permită implementarea lor mijloacelor de automatizare, capabile să intervină într-un sens dorit asupra proceselor asigurând condiţiile de evoluţie a acestora în deplină concordanţă cu cerinţele optime.

Lucrarea de faţă realizată la sfârşitul perioadei de perfecţionare profesională în cadrul liceului, consider că se încadrează în contextul celor exprimate mai sus. Doresc să fac dovada gradului de pregătire în meseria de ,,tehnician in automatizari’’, cunoştinţe dobândite în cadrul disciplinelor de învăţământ : ,,Electronica analigica’’ ,,S.R.A’’ ,,Electronică digitală’’.

Lucrarea cuprinde patru capitole conform tematicii primite. Pentru realizarea ei am studiat materialul biografic indicat precum şi alte lucrări ştiinţifice cum ar fi: cărţi şi reviste de specialitate, STAS-ul.

În acest fel am corelat cunoştinţele teoretice şi practice dobândite în timpul şcolii cu cele întâlnite în documentaţia tehnică de specialitate parcursă în perioada de elaborare a lucrării de diplomă.

4

Page 5: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Consider că tema aleasă in vederea obţinerii diplomei de atestare în specialitate de ,,technician in automatizarii’’ dovedeşte capacitatea mea de a sistematiza şi sintetiza cunoştinţele, de a rezolva problemele teoretice dar şi practice folosind procese tehnologice din specializarea în care lucrez.

CAPITOLUL II   : TRANZISTORUL CU EFECT DE CAMP

2.1.Scurt istoric :

Tranzistorul cu efect de câmp a fost propus de Julius Liliendfel în 1926 şi 1933 sub formă de patent. Shockley, Brattain şi Bardeen au investigat şi ei tranzistorul cu efect de câmp în 1947, dar dificultăţile întâmpinate în realizarea acestuia i-au dus în schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de câmp a lui Shockley a fost publicată în 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era suficient de bine dezvoltată, astfel că doar în anul 1960 s-a reuşit fabricarea unui dispozitiv funcţional de către John Atalla.

2.2. Generalităţi :

Tranzistorul cu efect de câmp este un dispozitiv semiconductor a cărui funcţionare sebazează pe variaţia conductibilităţii unui canal dintr-un material semiconductor, sub acţiunea unui câmp electric, produs de o tensiune aplicată pe electrodul de comandă numit grilă Canalul reprezintă porţiunea din semiconductor prin care circulă curentul prin tranzistor. În raport cu tipul semiconductorului care constituie canalul, tranzistoarele cu efect de câmp pot fi: cu canal n şi cu canal p. Conducţia în aceste tranzistoare este asigurată de purtătorii majoritari ai canalului, deci un singur tip de purtători (electroni - pentru canalul n, goluri - pentru canalul p), considerent pentru care sunt denumite tranzistoare unipolare. În funcţie de modul de realizare tranzistorul cu efect de câmp -TEC sau FET (Field Effect Tranzistor) poate fi: - cu grilă joncţiune TECJ sau JFET ; - cu grilă izolată sau metal-izolant (oxid-semiconductor IGFET şi MOSFET); - cu straturi subţiri.

2.3.Definiţie :

Un tranzistor cu efect de câmp (FET - field effect transistor), este un dispozitiv unipolar, ceea ce înseamnă că existenţa curentului depinde de un singur tip de purtători de sarcină.

5

Page 6: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Dacă dispozitivul se bazează pe un material semiconductor de tip N, purtătorii de sarcină sunt electronii. Invers, pentru unul de tip P, purtătorii de sarcină sunt golurile.

2.4.Modul de funcţionare :

La nivelul circuitului, funcţionarea tranzistorilor cu efect de câmp este simplă. O tensiune aplicată pe poartă, elementul de intrare, controlează rezistenţa unei regiuni unipolare dintre sursă şi drenă denumită canal; într-un dispozitiv de tip N, această regiune este reprezentată de un material semiconductor dopat de tip N-, cu terminale la ambele capete. Sursa şi drena sunt terminale echivalente cu emitorul şi colectorul într-un tranzistor bipolar. Cu alte cuvinte, sursa este locul de plecare al purtătorilor de sarcină, iar drena este locul înspre care aceştia se deplasează. Poarta este echivalentă bazei tranzistorului bipolar, iar în cadrul unui dispozitiv de tip N, este reprezentată de o regiune de tip P+ (dopată puternic) prezentă pe ambele laturi şi în jurul canalului din centrul semiconductorului.

În figura de mai sus, este prezentat un tranzistor cu efect de câmp cu joncţiune (JFET). Poarta constituie o joncţiune, şi este polarizată invers pentru funcţionarea corectă a dispozitivului. Curentul dintre sursă şi drenă poate exista în ambele direcţii.

6

Page 7: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

În figura alăturată este reprezentată zona de golire a joncţiunii porţii, datorită difuziei golurilor din regiunea de tip P (poartă) în regiunea de tip N (canal). Această difuzie duce la separarea purtătorilor de sarcină în zona joncţiunii şi o zonă de golire non-conductivă la joncţiune.

Grosimea zonei de golire poate fi crescută prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare inversă (figura de mai sus(b)). Acest lucru duce la creşterea rezistenţei canalului sursă-drenă prin îngustarea acestuia. Creşterea în continuare a tensiunii de polarizare inversă duce la creşterea zonei de golire, scăderea grosimii canalului şi creşterea rezistenţei acestuia (c). Peste un anumit nivel (d), tensiunea de polarizare inversă, VGS va bloca curentul prin canal, rezistenţa acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, VP este de câţiva volţi în majoritatea cazurilor. Pe scurt, rezistenţa canalului sursă-drenă poate fi controlat cu ajutorul valorii de polarizarea inversă a porţii.

Sursa şi drena sunt interschimbabile, ceea ce înseamnă că există posibilitatea deplasării electronilor în oricare dintre direcţii pentru o tensiune mică a bateriei drenei (0,6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi înlocuită cu o sursă de tensiune scăzută în curent alternativ.

Pentru valori mai mari ale tensiunii drenei, de ordinul zecilor de volţi pentru dispozitive mici, polaritatea alimentării este cea prezentată în figura alăturată (a). Atenţie, în unele cărţi de specialitate, poarta (P) mai este denumită şi grilă (G), sau cele două notaţii sunt folosite chiar concomitent. Am ales în această carte să rămânem la denumirea de poartă, iar aceasta este notată corespunzător pe desene cu P. În orice caz, cele două exprimări sunt echivalente.

7

Page 8: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Această sursă de tensiune a drenei, ce nu este prezentă în figurile precedente, distorsionează zona de golire, mărind-o înspre partea drenei. Aceasta este o reprezentare mult mai corectă o tensiunilor de curent continuu ale drenei, de la câţiva volţi la zeci de volţi. Pe măsură ce tensiunea drenă-sursă (UDS) creşte, zona de golire dinspre drenă creşte spre această. Acest lucru duce şi la creşterea lungimii canalului, cu efecte asupra rezistenţei (creşte) acestuia. Totuşi, această creştere a rezistenţei datorată creşterii lungimii canalului este foarte mică în comparaţie cu rezistenţa datorată polarizării inverse a porţii. În figura de mai sus (b) este prezentat şi simbolul schematic al unui tranzistor cu efect de câmp cu canal de tip N. Săgeata porţii indică aceeaşi direcţie ca şi joncţiunea diodei, şi corespunde regiunii de tip P. Celelalte două extremităţi (S şi D), ce nu conţin nicio direcţie, corespund materialului semiconductor de tip N.

În figura de mai sus este reprezentată şi direcţia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre sursă (S), apoi spre drenă (D) şi înspre terminalul (+) al bateriei. Acest curent poate fi controlat prin variaţia tensiunii de polarizare inversă a porţii (P). O sarcină conectată în serie cu bateria „vede” o versiune amplificată a variaţiei tensiunii de pe poartă.

2.5.Tranzistorul cu efect de câmp cu canal de tip P :

Tranzistoarele cu efect de câmp pot fi realizate şi cu canal de tip P, ceea ce înseamnă că poarta este realizată dintr-un material semiconductor dopat de tip N+ (dopat puternic). Toate sursele de tensiune sunt inversate într-un circuit cu JFET de tip P faţa de cel cu canal de tip N (figura alăturată (a)). Săgeata în acest caz este îndreptată dinspre poartă înspre sursa de polarizare inversă (figura alăturată (b)).Modul de funcţionare este asemănător tranzistorului cu efect de câmp cu canal de tip N prezentat mai sus.

8

Page 9: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

2.6.Confecţionarea tranzistoarelor cu efect de camp :

Dispozitivele discrete sunt confecţionate conform figurii alăturate (a), iar circuitele integrate cu tranzistoare cu efect de câmp, sunt confecţionate conform figurii alăturat€ (b). Poarta este dopată puternic, P+, pentru obţinerea unei zone de golire cât mai mari. Sursa şi drena acestui dispozitiv de tip N sunt şi ele dopate puternic, N+, pentru obţinerea unei rezistenţe de conexiune cât mai mici. Totuşi, canalul din jurul porţii este dopat uşor, N-, pentru a permite trecerea golurilor dinspre poartă înspre canal.

2.7.Observaţie :

Curăţenia este absolut necesară în cazul producerii tranzistorilor cu efect de câmp. Deşi este posibilă producerea tranzistorilor bipolari în afara unui spaţiu perfect curat, nu acelaşi lucru se poate spune şi despre cei cu efect de câmp. Tranzistorul cu efect de câmp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual decât cel bipolar, dar este foarte greu de produs.

9

Page 10: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

2.8.Tranzistorul cu efect de câmp cu grila joncţiune (TECJ, JFET).

2.8.1.Structura si funcţionarea TECJ. Tranzistorul cu efect de câmp cu joncţiune, propus de Shockley în 1952 reprezintă în esenţă un rezistor a cărui secţiune este controlată de zona de sarcină spaţială a unei joncţiuni pn. Canalul conductor este delimitat la acest tip de tranzistor cu ajutorul a doua joncţiuni pn polarizate invers. Structura unui JFET cu canal n este prezentată în figura 2.1 a. Conducţia are loc într-un canal de tip n între contactele de sursa (S) - care emit electroni şi drena (D) care îi colectează situate de o parte şi cealaltă a regiunii difuzate p.Electrodul numit poartă sau grilă (G) contacteazã zona difuzată p care împreună cu substratul p delimitează canalul n. Cele două regiuni p sunt mai puternic dopate decât canalul n , fiind conectate între ele. Analiza funcţionării se va face numai pentru tranzistorul TECJ cu canal n, funcţionarea fiind similară si pentru cele cu canal p.

Fig.2.1. Tranzistor cu efect de câmp cu grila

TECJ funcţioneazã în mod normal cu joncţiunile polarizate invers, deci potenţialul grilei trebuie sã fie mai negativ decât al sursei si al drenei. Deoarece purtătorii majoritari din regiunea canalului se deplasează de la sursă spre drenă este necesar ca potenţialul drenei sa fie mai mare ca al sursei pentru a crea un câmp electric care să asigure deplasarea electronilor spre drenă. Acţiunea de control a grilei asupra curentului prin canal se realizează prin penetrarea tot mai accentuată a regiunii de sarcinã spaţialã în canal odatã cu creşterea polarizării inverse a joncţiunilor (fig. 2.1 b), ceea ce reduce dimensiunile canalului şi curentul între drenă şi sursă – ID numit curent de drenă. Penetraţia zonei de sarcină spaţială nu este uniformã în canal, fiind mai accentuată spre drenă (potenţialul drenei fiind mult mai pozitiv faţă de al sursei şi deci faţă de grilă). La o anumită valoare a tensiunii de grilă-sursă U regiunile de sarcină spaţială a celor două joncţiuni se ating pe întreaga lungime a canalului iar canalul conductor dispare, deci curentul de drenă ID = 0 Tensiunea grilă-sursă la care canalul conductor dispare se numeşte tensiune de penetraţie (de prag sau de tăiere) şi se notează Up ( fiind dat in catalog ). Simbolurile pentru cele două tipuri de tranzistoare TECJ cu canal n si p sunt reprezentate în figura 2.2.

10

Page 11: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Funcţionarea TECJ cu canal p este asemănătoare, dar intervin schimbări privind polaritatea tensiunilor: UGS> 0 , UDS< 0 . Ca urmare se va schimba şi sensul curentului prin tranzistor ID .

Fig.2.2. Simboluri pentru TECJ

2.8.2.Caracteristicile statice, polarizarea TECJ. Din analiza structurii şi funcţionării TECJ s-a constatat cã valoarea curentului de drenă este funcţie de tensiunea grilă-sursă UGS şi drenă - sursă UDS :

ID =f(UGS,UDS) (2.1)

Considerând una din tensiuni ca parametru constant, se obţin douã familii de caracteristici statice:

11

Page 12: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Fig.2.3. Caracteristicile statice ale TECJ

- caracteristicile de ieşire ID = f (UDS) / UGS - constant numite şi caracteristici de drenă (fig.2.3.a);

- caracteristicile de transfer ID = f (UGS) / UDS = constant (fig.2.3.b). În planul caracteristicilor de drena pot fii delimitate trei regiuni- Regiunea nesaturată, în care canalul tranzistorului este continuu între sursă şi drena jar caracteristica ID (UDS) este crescătoare. Curentul de drenă va fi descris în această regiune de o expresie de forma :

ID = IDDS /UP2 [ 2 ( UGS – UP ) UDS – UDS2 (2.2)

12

Page 13: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

unde IDDS reprezintă curentul de saturaţie pentru UGS = 0 , iar UDS < UGS - UP .

- Regiunea de saturaţie în care canalul este obturat la capătul dinspre drenă, iar curentul de drenă este practic constant cu tensiunea drenă-sursă. În această regiune curentul de drenă poate fi exprimat cu o bunã aproximaţie printr-o expresie de forma:

ID = IDDS (1 - UGS / UP )2 (2.3)

iar UDS > UGS – UP .

Regiunea de străpungere care apare la tensiuni drenă-sursă foarte mari. Străpungerea se produce la nivelul drenei deoarece din aceastã zonă tensiunea aplicatã joncţiunilor are valoare maximã. Se produce astfel o creştere bruscă a curentului de drenă, tensiunea drenă-sursă rămânând constantă. În majoritatea aplicaţiilor TECJ lucrează în regiunea de saturaţie. Existã însă numeroase aplicaţii în care TECJ lucreazã şi în regim liniar ( la UDS mici ) unde dispozitivul se comportă ca rezistenţa comandată de tensiunea U . Caracteristica de transfer prezentată în figura 2.3.b este dată pentru UDS UDS sat , zona în care TECJ este cel mai utilizat. În aceastã zonă ID nu depinde de UDS , dependent funcţiei de UGS fiind descrisă printr-o expresie de forma (2.3), care exprimă o dependenţă parabolică a curentului de drenă funcţie de tensiunea grilă-sursă. Polarizarea TECJ se realizează utilizând două principii prezentate în figurile 2.4.a, b.

13

Page 14: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Fig.2.4. Principii de polarizare a TECJ

În circuitul din figura 2.4.a polarizarea grilei faţă de sursă este asigurată de căderea de tensiune dată de curentul de sursa (ID = IS) pe rezistenta RS :

UGS = -- RS ID

Această tensiune se aplică pe grilă prin rezistenţa RG are valori de ordinul M . Punctul static de funcţionare (P.S.F.) se obţine în planul caracteristicilor de transfer la intersecţia caracteristicii de transfer cu dreapta data de ecuaţia (2.4) numită "linia de polarizare" (fig. 2.4.c). Datorită dispersiei caracteristicilor, precum şi a variaţiei cu temperatura (în limite mult mai mici faţă de tranzistorul bipolar) a caracteristicilor, acestea se modifică. În figura 2.4.c sunt reprezentate caracteristicile de transfer extreme care au în vedere atât dispersia de la un exemplar la altul, cât şi variaţia cu temperatura pentru un anumit tip de tranzistor. Considerând că variaţia lui ID corespunzătoare P.S.F. este acceptată între IA si IB acestea vor determina pe caracteristicile de transfer extreme punctele A,B. Ca urmare linia de polarizare trebuie să intersecteze caracteristicile de transfer între aceste puncte (fig.2.4.c). Atunci când variaţia impusă ID = IA – IB este prea micã, este dificil de găsit o linie de polarizare care să treacă printre punctele A, B şi origine. În această situaţie se utilizeazăpolarizarea cu divizor rezistiv în grilă (fig. i2.4.b). Aplicând teorema a doua a lui Kirchhoff pe circuitul grilă sursã se obţine: UR2 = UGS + RS · ID

unde : UR2 = ( R2 / R1 + R2 ) ED = EG

Din (2.5) şi (2.6) va rezulta linia de polarizare: UGS = EG - ID · RS

care asigură o polarizare corectã şi conform cerinţelor impuse limitelor de variaţie a curentului (fig. 2.4.c). În curent alternativ rezistenţa din sursă este şutată de un condensator CS

ales corespunzator (XCS = 1 / CS << RS ) evitând disiparea de putere pe RS in regim dynamic .

14

Page 15: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

2.9.Tranzistorul cu efect de câmp cu grilã izolată (TECMOS, MOSFET). 2.9.1.Structura şi funcţionarea TECMOS (MOSFET).

Pentru studiul tranzistorului TECMOS se va considera un TECMOS cu canal n a cărui structură este prezentată în figura 2.5. Tranzistorul este realizat dintr-un substrat semiconductor de Si de tip p în care s-au format prin difuzie două regiuni de tip n puternic dopate aflate la o distanţa 0,1 de alta. De la cele două regiuni n+ se obţine drena (D) şi sursa (S), iar contactul de la substrat reprezintă baza (B) conectată la sursã. Suprafaţa semiconductorului dintre sursă şi drenă se acoperã cu un strat izolator (de regulă bioxid de siliciu) cu grosime de 0,1u peste care se depune o peliculă metalică ce constituie grila (G).

Când grila este lăsata în gol sau negativa faţã de substrat, între sursă şi drenă nu va circula curent deoarece apar două joncţiuni pn legate în opoziţie. Daca grila este mai pozitivă decât substratul ea va respinge golurile din zona p dintre drenă şi sursă, atrăgând spre aceasta electronii (ca urmare a efectului de condensator având ca dielectric stratul de SIO2 ). Peste o anumită tensiune numită tensiune de prag (Up)

Fig.2.5. Structura TECMOS concentraţia electronilor în aceastã zonă depăşeşte

concentraţia de goluri, apărând un strat de inversie sau un canal de tip n între drenă şi sursă. Conductanţa acestui canal indus de câmpul electric depinde de diferenţa de potenţial dintre grilă şi sursă. În consecinţă, curentul care circulă între drenă şi sursă poate fi controlat de potenţialul grilei. Acest tip de tranzistor poartă denumirea de TECMOS cu canal n indus (fiind format, indus de potenţialul grilei). În mod similar poate fi realizat un TECMOS cu canal Indus de tip p la care substratul va fi de tip n pe care se vor dopa douã regiuni p+ pentru drena si sursa , polaritatea tensiunilor fiind inversată. Tranzistoarele TECMOS cu canal indus sunt numite şi TECMOS în regim de îmbogăţire deoarece suprafaţa semiconductorului se îmbogăţeşte cu purtători minoritari. Tranzistoarele TECMOS pot fi şi cu canal iniţial (de tip n sau p) la care canalul se creează la realizarea dispozitivului. La acestea canalul conductor există, deci şi la potenţial 0 al grilei faţã de substrat

15

Page 16: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Fig.2.6. Simbolurile TECJ

tensiunea aplicată putând mări sau micşora conductanţa canalului. Simbolurile pentru cele doua tipuri TECMOS cu canal indus si iniţial sunt prezentate în figura 5.6.a, respective 2.6.b.

2.9.2. Caracteristici statice, polarizarea TECMOS (MOSFET).

Din analiza structurii şi funcţionării tranzistorului TECMOS s-a constatat că şi în acest caz curentul de drenă depinde de tensiunea drenă-sursă şi grilă-sursă ca şi în cazul TECJ. Considerând una din tensiuni ca parametru se obţin doua familii de caracteristici statice:

Fig.2.8. Caracteristicile statice ale TECMOS

16

Page 17: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

- caracteristici statice de ieşire (drenă) ID = f (UDS) / UGS = ct. reprezentate în figura 2.8.a pentru TECMOS cu canal n indus, respectiv în figura 2.8.b pentru TECMOS cu canal n iniţial;-caracteristici de transfer ID = f (UGS) / UDS = ct. reprezentată în figura 2.8.C (curba 1 pentru TECMOS cu canal indus, respectiv curba 2 pentru TECMOS cu canal iniţial). La TECMOS cu canal indus dacã UGS < Up nu apare stratul de inversie şi între drenă şi sursă nu circulă curent deoarece apar douã joncţiuni în opoziţie. Dacă tensiunea de grilă depăşeşte tensiunea de prag (UGS > Up ) apare stratul de inversie şi deci canalul care are acelaşi tip de purtători cu regiunile drenă-sursă, putând apare astfel curentul de drena ID . Dacă UDS < UGS se poate considera că diferenţa de potenţial între grilă şi suprafaţa substratului este constantã în lungul canalului, astfel încât în această zonă caracteristicile statice de ieşire ID = f (UDS) sunt liniare plecând din origine, această regiune fiind denumită liniarã. Pe măsura ce UDS creşte, diferenţa de potenţial dintre grilă şi suprafaţa substratului scade, scăzând ca urmare şi conductanţa substratului, caracteristicile îndepărtându-se de dreptele iniţiale, curbându-se în jos. Crescând în continuare tensiunea UDS la o anumită valoare a acesteia se închide canalul în dreptul drenei. Tensiunea de drena la care se produce acest fenomen se numeşte tensiune de saturaţie (UDSS) având valoarea:

UDSS = UGS – Up

2.10.. Dispozitive cu transfer de sarcină

Dispozitivele cu transfer de sarcină realizează trecerea unei cantităţi de sarcinã mobile stocată într-un element semiconductor spre un element de stocare similar aflat în vecinătate, ca urmare a unei comenzi electrice exterioare. Dispozitivele cu transfer de sarcină funcţionează în cascadă unul după celălalt, fiindrealizate pe aceea şi pastilă semiconductoare sub formă de circuit integrat. Semnalul prelucrat este conţinut în cantitatea de sarcină transferată, funcţia circuitului fiind de întârziere variabilã a acestui semnal prin transferul de la o celulă la alta. Dispozitivele cu transfer de sarcină se împart în trei categorii: - dispozitive cuplate prin sarcină (CCD – Charge-Coupled-Devices); - dispozitive bucket-brigade (BBD); - dispozitive cu injecţie de sarcină (CID – Charge-Injection-Devices). Din punct de vedere tehnologic dispozitivele cu transfer de sarcină se aseamănă cutranzistoarele MOS, motiv pentru care sunt analizate în acest capitol. Pentru a exemplifica funcţionarea acestor dispozitive se va considera structura unuidispozitiv cuplat pentru sarcină CCD cu trei faze (figura 2.9.a.).

17

Page 18: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Structura constă dintr-un semiconductor de tip p care reprezintă substratul (conectat la masă) pe care se dopează două semiconductoare n+ de la care sunt scoase intrarea DI respective ieşirea DE. Suprafaţa dintre cele două joncţiuni se acoperă cu un strat isolator de bioxid de siliciu. Pe suprafaţa oxidului, între cele două joncţiuni se plasează în ordine electrozii metalici reprezentând: poarta de intrare PI, trei electrozi corespunzători celor trei faze conectaţi la potenţialele U1 , U2 , U3 şi poarta de ieşire PE. Semanlul se aplică prin joncţiunea de intrare n+p ( DI ) prevăzut cu poartă (PI). Ieşirea se face pe cealaltă joncţiune n+p (DE) cu poartă (PE). Joncţiunea de ieşire este polarizată invers de la sursa E prin rezistenţa R. Comanda

Fig.2.9. Structura si funcţionarea CCD celor trei electrozi se face pe rând cu semnal cu trei faze dreptunghiulare cu front de scădere lin.Funcţionarea este descrisă sintetic prin diagrama de semnal din figura 2.9.b. În regim aşteptare joncţiunea DI este polarizată invers astfel încât sub poarta PI nu există strat de inversare, aceeaşi situaţie fiind şi la joncţiunea de ieşire. La momentul t1 se înscrie informaţia scăzând tensiunea DI, ceea ce duce la formarea unui canal sub PI care “umple” cu sarcină primul condensator MOS ( U1 avand valoare mare ). În momentul t2 sarcina este transferată celui de-al doilea condensator prin scăderea treptată a lui U1. Dacă U1 ar avea scădere rapidă s-ar pierde sarcina prin injectarea ei în substrat.

18

Page 19: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

În momentul t3 continuă transferul spre al treilea condensator sub comanda lui U2 . acest condensator va determina în momentul t4 injecţia electronilor stocaţi spre regiunea de sarcinã spaţială a joncţiunii de ieşire. Ca urmare va creşte cutentul invers al acestei joncţiuni şi va scădea tensiunea de ieşire (DE), refăcând semnalul de intrare după

o întârziere ti :

ti = t4 – t1 = 3tu

Celula de întârziere trebuie sã conţină trei elemente de stocare pentru a avea siguranţa transferului sarcinii într-un singur sens, de la intrare spre ieşire. Aceste dispozitive sunt utilizate în realizarea unor întârzieri ale semnalului.

CAPITOLUL III : Norme de protectie a muncii

 

1. Fiecare om al muncii este obligat ca, inainte de folosirea mijloacelor individuale de protectie, sa verifice lipsa defectelor exterioare, curatenia lor, marcarea tensiunii la care este permisa utilizarea precum si daca nu s-a depasit termenul de mentinere a caracteristicilor electrice.

2. Art.3825: Amestecul acizilor se face turnand pe cel mai concentrat in cel mai diluat-

3. Art.3539: La exploatarea bailor cu continut acid se va evita contactul solutiilor cu pielea

4. Art.3676: Comenzile de pornire si oprire a lucrarilor se vor face de catre seful de lucrare, si tot el va conduce probele.

5. Art.3689: Cablurile mobile de legatura se vor controla inainte de punerea sub tensiune

6. Art.3699: Este interzisa modificarea montajelor electrice aflate sub tensiune.

7. Art.3720: Se interzice atingerea legaturilor neizolate chiar daca acestea sunt alimentate la tensiuni joase.

In toate atelierele si locurile de munca in care se foloseste energia electrica se asigura protectia impotriva electrocutarii.

19

Page 20: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Prin electrocutare se intelege trecerea unui curent electric prin corpul omenesc. Tensiunea la care este supus omul la atingerea unui obiect sub tensiune este numita tensiune de atingere.

Gravitatea electrocutarii depinde de o serie de factori:

1. Rezistenta electrica a corpului omenesc. Rezistenta medie a corpului (pielea este singurul organ izolator) este de 1000 si poate avea valori mai mari pentru o piele uscate sau valori mult mai mici (200) pentru o piele uda sau ranita

2. Frecventa curentului electric. Curentul alternativ cu frecvente intre 10-100Hz este cel mai periculos. La frecvente de circa 500.000Hz excitatiile nu sunt periculoase chiar pentru intensitati mai mari ale curentului electric.

3. Durata de actiune a curentului electric. Daca durata de actiune a curentului electric este mai mica de 0,01 efectul nu este periculos;

4. Calea de trecere a curentului prin corp. Cele mai periculoase situatii sunt cele in care curentul electric trece printr-un circuit in care intra si inima sau locuri de mare sensibilitate nervoasa (ceafa, tampla etc.)

5. Valorile curentilor care produc electrocutarea. Acestea se pot calcula simplu cu legea lui Ohm: unde R este suma rezistentelor din circuit. -valoarea limita a curentilor nepericulosi sunt 10mA curent alternativ si 50mA curent continuu.

Efectele trecerii curentului electric prin corpul omenesc se pot grupa in:

Electrosocuri si electrotraumatisme. Cand valoarea intensitatii curentului electric este mai mica de 1mA, nu se simte efectul socului electric. La valori mai mari de 10mA curent alternativ se produc comotii nervoase in membre; contractiile muschilor fac ca desprinderea omului de obiectul aflat sub tensiune sa se faca greu. Peste valoarea de 10mA se produce fibrilatia inimii si oprirea respiratiei. Electrotraumatismele se datoreaza efectului termic al curentului electric si pot provoca orbirea, metalizarea pielii, arsuri.

Cositorirea si lipirea se fac in locuri special amenajate si prevazute cu sisteme de ventilatie corespunzatoare.

Art.3760: Baile de cositor pot fi izolate termic astfel incat temperatura elementelor exterioare sa nu depaseasca 35 grade Celsius

Art.3761: Se interzice introducerea in baia de cositor a unor piese umede; este interzisa introducerea in bai fara sa fi fost in prealabil sters si uscat.

Art.3762: Locurile de munca la care se executa operatii de lipire vor fi prevazute cu un sistem de ventilatie locala pentru absorbirea nocivitatilor din zona ciocanului de lipit.

Art.3764: Toate sculele electrice portabile folosite la lipire vor fi alimentate la o tensiune de sub 24V, iar in locurile periculoase din punct de vedere al electrocutarii alimentarea se va face la 12V.

20

Page 21: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Este interzisa modificarea montajelor electrice sub tensiune

Aparatele electrice si dispozitivele auxiliare sa fie alimentate la o tensiune corespunzatoare si sa aiba prize cu impamantare.

CAPITOLUL IV   : BIBLIOGRAFIE

1.Adrian Bitoiu, Gheorghe Baluta , Edmond Nicolau

Practica electronistului amator

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

2.Edmond Nicoalu, Belis Mariana

Masurari electrice si electronice

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

3.Theodor Danila, Monica Ionescu-Vlad

Componente si circuite electronice

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

4.Ion Cristea, Gheorghe Constantinescu

Manualul muncitorului electronist

21

Page 22: POLARIZAREA TRANZISTOARELOR CU EFECT DE CAMP

GRUP ŞCOLAR ENERGETIC NR.1

ALEEA 23 AUGUST , NR.11 , TG-JIU TEL : 0353/806.045 FAX : 0353/806.044

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

22