Unipolarni FET

  • View
    53

  • Download
    2

Embed Size (px)

DESCRIPTION

kratka skripta sa objasnjenjima

Text of Unipolarni FET

  • VI1

    VI

    Unipolarni tranzistori Unipolarni tranzistori (engl. unipolar field-effect transistor) mogu

    se podijeliti u dvije skupine: tranzistori na bazi p-n spoja i tranzistori na MOS osnovi (M - metal, O - oksid, S -semiconductor-poluprovodnik). U struji provoenja uestvuje samo jedna vrsta nosilaca elektriciteta po emu su i dobili naziv unipolarni tranzistori. U osnovi ovih tranzistora je upravljanje strujom pod dejstvom elektrinog polja (engl. field effect transistor-FET).

    Kada tranzistor kao upravljaku elektrodu (gejt) koristi inverzno polarizovan p-n spoj, tada se naziva FET sa upravljakim p-n spojem ili skraeno JFET (engl. Junction-gate Field-Effect Transistor). Rad takvih unipolarnih tranzistora sa efektom polja je zasnovan je na principu promjene debljine provodnog kanala suavanjem ili irenjem podruja prostornog naboja (osiromaenog sloja) p-n spoja.

    JFET se sastoji iz osnovne poluprovodnike oblasti n (ili p) tipa na koju su prikljuene elektrode sorsa (engl. source) i drejna (engl. drain), dok se izmeu tih prikljuaka nalaze oblasti suprotnog tipa u odnosu na osnovnu oblast. Prednost tog tranzistora u odnosu na bipolarne tranzistore je velika ulazna otpornost zbog korienja inverzno polarizovanog p-n spoja kao upravljake elektrode - gejta. Kod n-kanalnog tranzistora gejt je nainjen od poluprovodnikog materijala p-tipa sa homogenom

  • ELEKTRONIKA 1

    VI2

    koncentracijom akceptorskih primjesa. Podruje P tipa je legirano podruje p+ tipa poluprovodnika na koje je prikljuen gejt (G-gate).

    Za rad u aktivnom podruju N JFET-a potrebno je na drejn prikljuiti pozitivan kraj izvora jednosmjernog napona, a na sors negativan kraj istog izvora (sl. 6.1). Pri tome gejt mora biti prikljuen na minus pol baterije u odnosu na sors kako bi se obezbjedila inverzna polarizacija p-n spoja. Time se postie da je struja gejta praktino veoma mala, te se moe zanemariti. Naime, jednosmjerna struja gejta je veoma malena u poreenju sa strujom drejna to implicira da je diferencijalna ulazna otpornost gejta vrlo velika i obino je vea od 109 kod silicijumskih tranzistora.

    Sl. 6.1. Presjek N kanalnog JFET tranzistora.

    Zbog protoka struje ID kroz kanal dolazi do pada napona du kanala, pa je oblast kanala blizu drejna na viem potencijalu od dijela kanala koji je blie sorsu. Zbog toga n-kanal se suava od sorsa prema drejnu. Pad potencijala po duini, pa prema tome i elektrino polje, bie vei na kraju kanala uz drejn. Na p+-n spoju stvorena je barijera koja se iri na stranu slabije legiranog poluprovodnika, dakle na N stranu.

    VI_1. KARAKTERISTIKE JFET TRANZISTORA

    Kod unipolarnih tranzistora definiu se samo izlazne statike karakteristike ID = f ( VDS ), VGS = const. Kroz prostor kanala, omeenog potencijalnom barijerom, tee struja koja je funkcija napona izmeu gejta i sorsa kao i napona izmeu drejna i sorsa.

    Na slici 6.2. predstavljene su izlazne karakteristike realnog n- kanalnog JFET-a.

  • 6. Unipolarni tranzistori

    VI3

    Na ordinati je apsolutna vrijednost struje drejna (u miliamperima), a na apscisu apsolutna vrijednost normalizovanog napona VDS. Vidljivo je da poveanjem napona VDS tranzistor ulazi u domen proboja tako to u podruju zasienja dolazi do naglog porasta struje drejna. Ta oblast naziva se oblast proboja .

    VDS, V Sl. 6.2. Izlazne karakteristike realnog JFET-a sa N kanalom .

    U oblasti zasienja se dobija najvea linearnost tako da se kod pojaavaa radna taka treba postavljati u toj oblasti.

    Pri dovoljno negativnoj vrijednosti napona vGS oblast prostornog naboja u barijeri prekrije N kanal smanjujui njegovu provodnost na zanemarljivo malu vrijednost. Taj napon se oznaava kao napon praga provoenja (pinch-off voltage) VP. Kada je napon VGS manji od napona praga VP kanal je potpuno zatvoren i tranzistor je tada u neprovodnom stanju.

    Pri veim naponima vDS potencijal u takama blie drejnu je vei. Dalje poveanje napona drejna izaziva porast otpornosti kanala i zbog toga sporiji rast struje kroz kanal. Konano dvije oblasti prostornog naboja uz drejn se pribliavaju vrlo blisko jedna drugoj, tako da pri daljem porastu napona drejna nema bitnog poveanja struje drejna.

  • ELEKTRONIKA 1

    VI4

    Na slici 6.3 prikazane su idealizovane strujno-naponske statike karakteristike JFET-a. Na ordinati je nanesena apsolutna vrijednost struje drejna, a na apscisi apsolutna vrijednost napona VDS .

    Oblast izmeu ordinatne ose za struju i crtkane linije naziva oblast nezasienja.

    oblastzasi enja

    oblastnezasicenja

    [ ]V,VDS

    V

    V

    1

    2

    65432100

    2

    4

    6

    8

    D

    C

    B

    A

    C1

    B1

    A1

    D1

    V =0 VGS

    Sl. 6.3. Teorijske statike karakteristike n-kanalnog silicijumskog JFET-a.

    Desno od presjeka crtkano izvuene krive linije i statikih karakteristika nalazi se podruje zasienja tranzistoru. Statike karakteristike su tada prikazane horizontalnim linijama. Struja drejna u toj oblasti zavisi samo od prednapona izmeu gejta i sorsa. Pri dovoljno negativnoj vrijednosti napona vGS oblast prostornog naboja u barijeri prekrije N kanal smanjujui njegovu provodnost na zanemarljivo malu vrijednost. Taj napon se oznaava kao napon praga provoenja VP. Kada je napon VGS manji od napona praga kanal je potpuno zatvoren i tranzistor je u neprovodnom stanju odnosno zakoen. U oblasti manjih napona vDS strujno-naponska karakteristika FET-a je data u obliku:

    3 2 3 23

    2/ /

    DS DS GS GSD DSS

    P P P

    v v v vi I

    V V V

    = .

  • 6. Unipolarni tranzistori

    VI5

    Podruje nezasienja se ponekad naziva omsko podruje s obzirom da u tome podruju sa porastom napona VDS raste i struja ID. Pri jako malim naponima napona vDS (vD S > . 1 2

    31

    /DSS GS

    D DSP P

    I vi v

    V V

    = .

    Otpornost u toj oblasti se dobija u obliku:

    1 2 1 21 1

    31 1

    DS Pon o/ /

    D DSS GS GS

    P P

    v VR Ri I v v

    V V

    = = =

    .

    Meutim, kada veliina napona drejna raste iznad take zasienja dolazi do malog porasta struje drejna. Zbog te pojave otpornost drejn-sors postaje konana pri porastu napona VDS.

    Strujno-naponska karakteristika za rad na granici omske oblasti i u oblasti zasienja daje se u obliku:

    2

    1 GSD DSSP

    vi I

    V =

    , DS GS Pv v V ,

    gdje je IDSS struja drejna pri nultom naponu izmeu gejta i sorsa.

    Kod unipolarnih tranzistora se koriste dva diferencijalna parametra: transkonduktansa (transconductance) gm i izlazna provodnost (engl. output conductance) gds . Diferencijalni parametar gm ekvivalentan je parametru G21 , a izlazna provodnost gds ekvivalentna je parametru G22.

    Parametri se mogu definisati na slijedei nain. Struja drejna Di predstavlja funkciju napona GSv i DSv :

    ( )D GS DSi f v ,v= . U okolini radne take totalni diferencijal struje je :

  • ELEKTRONIKA 1

    VI6

    d d dD DD GS DSGS DS

    i ii v vv v = + ,

    d d dD m GS ds DSi g v g v= + , gdje je gm traskonduktansa tranzistora:

    DS

    Dm

    GS v const

    igv == ,

    a izlazna provodnost i otpornost su:

    GS

    Dds

    DS v const

    ig

    v =

    = , r gds ds= 1 .

    Vrijednosti diferencijalnih parametara JFET-a mogu se dobiti grafikim putem na osnovu poznatih statikih karakteristika.

    VI_2. MOSFET

    Osnova unipolarnog tranzistora sa efektom polja MOS FET je M-metal, O oksid, S poluprovodnik (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

    Postoje n kanalni MOSFET sa ugraenim kanalom i n kanalni MOSFET sa indukovanim kanalom. Potencijal drejna je pozitivan u odnosu na sors. Kod tranzistora sa ugraenim n kanalom konstrukciono su na podlozi p tipa ugraena dva podruja sa jako legiranim-dopiranim poluprovodnikom n+ tipa na koje su prikljuene elektrode sorsa i drejna a izmeu njih je formiran kanal n tipa. Iznad kanala nalazi se SiO2 (silicijev dioksid) kao izolator na koga je nanesena metalna elektroda-gejt. Pojednostavljena struktura n-MOSFET -a data je na slijedeoj slici 6.4.

    Ako tranzistori imaju formiran kanal kada je napon VGS = 0 nazivaju tranzistori sa ugraenim kanalom (sl. 6.4). Tranzistor sa ugraenim n- kanalom pri negativnim naponima izmeu gejta i sorsa radi u reimu osiromaenja (depletion mode).

  • 6. Unipolarni tranzistori

    VI7

    Sl. 6.4. Geometrijski oblik n-MOSFETsa ugraenim kanalom [3].

    Prikljuivanjem negativnog napona izmeu gejta i sorsa kanal se suava pa se struja drejna smanjuje (oblast osiromaenja- engl. depletion mode) (sl 6.5).

    Sl. 6.5. Polarizacija gejta u oblasti osiromaenja.

    Naime, prikljuivanjem pozitivnog napona izmeu gejta i sorsa kanal se proiruje pa se struja drejna poveava (sl 6.6).

    Sl. 6.6. Polarizacija gejta u oblasti obogaenja.

  • ELEKTRONIKA 1

    VI8

    To znai da MOSFET sa ugraenim n-kanalom moe da radi i pri pozitivnom naponu u tzv. obogaenom reimu (engl. enhancement mode). Ako je, pak, potrebno prikljuiti napon VGS 0 da bi se formirao (indukovao) kanal tada se takav tranzistor naziva tranzistor sa indukovanim kanalom (sl.6.7).

    Sl. 6.7. MOSFET sa indukovanim kanalom.

    Sa druge strane p-kanalni MOS tranzistori na osnovi n-tipa nemaju provodni kanal kada je VGS = 0. Izmeu dvije oblasti p-tipa koje predstavljaju kontakte sorsa i drejna ne protie struja drejna i kada je VDS < 0 . Ustvari pozitivni naboj u oksidu stvara unutranje inverzno napajanje koje mora biti neutralisano prije nego to se uspostavi provodni kanal.

    Zbog toga taj tranzistor radi jedino u reimu obogaenja kanala sporedni