J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
1
8. Tranzystory polowe
8.1. Wprowadzenie
Działanie tranzystorów polowych FET (field effect transistor) jest oparte
na sterowaniu przepływem nośników większościowych (dziur albo elektronów) za
pomocą pola elektrycznego. Prąd przewodzenia tranzystora przepływa specjalnie
utworzonym kanałem o małej rezystywności, łączącym elektrody: dren D (drain) i
źródło S (source). Kanał jest sterowany poprzecznym (w stosunku do pola
unoszącego nośniki strumienia prądu) polem elektrycznym wzbudzanym za
pomocą napięcia przyłożonego między bramkę G (gate) i źródło.
Rys.8.1.
W porównaniu do tranzystorów bipolarnych, tranzystory polowe
charakteryzuje większa szybkość działania, większa rezystancja wejściowa oraz
sterowanie napięciowe.
8.2. Rodzaje tranzystorów polowych
Podstawowym kryterium klasyfikacji elementów polowych (tablica) jest
usytuowanie elektrody sterującej względem przewodzącego kanału. W
tranzystorach złączowych bramka jest odseparowana od kanału przewodzącego,
albo wstecznie spolaryzowanym złączem PN (PNFET), albo za pomocą kontaktu
Schottky’ego (MESFET). W tranzystorach IGFET (insulated gate field effect
transistor) bramka jest odgrodzona od kanału izolatorem. Liczną grupę elementów,
stanowią tranzystory typu MIS (metal insulator semiconductor), w tym MOS
(metal oxide semiconductor) z dwutlenkiem krzemu SiO
2
jako izolatorem, o
różnych odmianach konstrukcyjnych.
O kanale
W Podziale funkcjonalnym rozróżnia się tranzystory normalnie
przewodzące (DMOS - depletion mode)), tj. przewodzące bez wysterowania (kanał
istnieje bez polaryzacji bramki) a wyłączane bramką oraz tranzystory normalnie
nieprzewodzące (EMOS – enhancement mode, które wymagają zaindukowania
kanału przez wzbogacanie w nośniki większościowe warstwy powierzchniowej
pod izolatorem (konstrukcje planarne) lub przestrzeni między drenem a źródłem .
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
2
Tranzystory polowe
(FET)
Złączowe
(JFET)
Z izolowaną bramką
(IGFET)
Ze złączem PN
(PNFET)
kanał n/p
Ze złączem m-s
(MESFET)
kanał p
MIS, MISFET
MOS, MOSFET
kanał n/p
Cienkowarstwowy
(TFT)
kanał n/p
Z kanałem
zubożanym
(DMOS)
Z kanałem
wzbogacanym
(EMOS)
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
3
8.3. Tranzystory MIS
8.3.1.Budowa i działanie
Rys.8.1.
S G D
B
N
N
p - pod
łoże
B
n+
n+
p
L
L
eff
R
D
R
S
W
S
G
D
tox
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
4
8.3.2.Charakterystyki i parametry statyczne
Charakterystyka przejściowa
opis, VT,
Rys.8.3. Charakterystyki przejściowe i
wyjściowe DMOS i EMOS z kanałem N i P
DMOS
EMOS
N
P
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
5
Charakterystyka wyjściowa opis
Zakresy pracy - przemieszczanie się punktu pracy na charakterystyce wyjściowej
tranzystora nEMOS
Przy spełnionym warunku,
T
GS
V
u
>
, istnienia kanału między źródłem a drenem,
umożliwiającym przewodzenie tranzystora, ze zwiększaniem się napięcia drenu
punkt pracy przemieszcza się od a w kierunku c.
W otoczeniu punktu a kanał pełni funkcje rezystora liniowego łączącego źródło z
drenem a zmiany prądu od napięcia są liniowe.
W miarę wzrostu napięcia u
DS
, rośnie także gęstość prądu i
D
powodującego
odkładanie się spadków napięcia w kanale. Malejąca różnica potencjału między
bramką a kanałem a w następstwie tego malejące natężenie pola prostopadłego do
kanału, skutkuje zmniejszeniem się grubość kanału (modulacja rezystancji kanału).
Dalszy wzrost u
DS
prowadzi do całkowitego usunięcia inwersji kanału w części
sąsiadującej z drenem (stan odcięcia p.c). Napięcie odpowiadające punktowi c nosi
nazwę napięcia nasycenia
T
GS
DSsat
DS
V
u
u
u
−
=
=
Rys. 8.2.
S G D
B
n+
n+
p
a
b
c
c
b
d
d
a
b
c
U
DS
I
D
d
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
6
Zakresy pracy tranzystora
Zakres podprogowy (odcięcia)
T
GS
V
u
<
;
Zakres nadprogowy
T
GS
V
u
>
;
•
nienasycenia (omowy):
T
GS
DSsat
DS
V
u
u
u
−
=
<
liniowy
0
≈
DS
u
triodowy
T
GS
DS
V
u
u
−
<
,
•
nasycenia (aktywny, pentodowy):
T
GS
DSsat
DS
V
u
u
u
−
=
>
,
.
Na początku zakresu nienasycenia w zakresie liniowym, przy małych
napięciach u
DS
, prąd drenu zmienia się proporcjonalnie do napięcia dren-źródło
u
DS
, (wzór):
DS
T
GS
D
u
V
u
K
i
⋅
−
=
)
(
,
(8.1)
podczas, gdy rezystancja ma małą wartość. Ze względu na niski spadek napięcia
drenu przy dużym prądzie i
D
, tranzystory w tym obszarze pracują jako
przełączniki. Przy końcu zakresu widoczne jest zakrzywienie charakterystyk
świadczące o pogarszaniu się proporcji między prądem a napięciem. Prąd drenu
opisuje ogólniejsza w stosunku do (8.1) zależność:
]
5
,
0
)
[(
2
DS
DS
T
GS
D
u
u
V
u
K
i
−
−
⋅
=
(8.2)
gdzie:
L
W
C
K
ox
2
⋅
=
µ
,
ox
ox
ox
t
C
ε
=
,
µ
- ruchliwość nośników ładunku,
ox
ε
- stała dielektryczna izolatora,
ox
t
-
grubość warstwy izolatora.
Wzory słuszne w przypadku uziemionego źródła, zwartego z podłożem.
Granicę między zakresami liniowym i nasycenia dla warunku:
T
GS
DS
V
u
u
−
=
(8.3)
określa krzywa paraboliczna (pinch off) (8.1 i 8.3) opisana zależnością
2
DS
D
Ku
i
=
(8.4)
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
7
W zakresie aktywnym prąd drenu ma stałą wartość, która nie zależy od
napięcia u
DS
. Tranzystory mają zastosowanie jako wzmacniacze napięciowe.
Prąd drenu wyrażony jest za pomocą wzoru pomijającego zjawisko
modulacji kanału:
2
)
(
T
GS
D
V
u
K
i
−
⋅
=
( 8.2)
albo za pomocą wzoru (), który uwzględnia modulację kanału:
)
1
(
)
(
2
DS
T
GS
D
u
V
u
K
i
⋅
+
−
⋅
=
λ
,
(8. )
gdzie: λ oznacza współczynnik modulacji kanału (0 – 1V
-1
).
Rys.8.4.
Nasycenia,
pentodowy,
aktywny
Liniowy,
triodowy,
omowy
Odci
ęcia
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
8
8.3.3. Model małosygnałowy
W zakresie nasycenia w konfiguracji wspólnego źródła (odpowiednik wspólnego
emitera w tranzystorze bipolarnym)
Parametry modelu:
Transkonduktancja (konduktancja przejściowa)
•
dla zakresu triodowego (nienasycenia)
DS
GS
DS
DS
T
GS
GS
D
m
u
K
u
u
u
V
u
K
u
i
g
⋅
=
∂
−
−
∂
=
∂
∂
=
)]
5
,
0
)
((
[
2
(8.3)
•
dla zakresu pentodowego (nasycenia)
D
GS
T
GS
GS
D
m
i
K
u
V
u
K
u
i
g
⋅
=
∂
−
∂
=
∂
∂
=
]
)
(
[
2
(8.4)
Po podstawieniu
K
i
V
u
D
T
GS
=
−
.
Konduktancja wyjściowa (konduktancja)
•
dla zakresu triodowego (nienasycenia)
)
(
)]
5
,
0
)
((
[
2
DS
T
GS
DS
DS
DS
T
GS
DS
D
ds
u
V
u
K
u
u
u
V
u
K
u
i
g
−
−
⋅
=
∂
−
−
∂
=
∂
∂
=
(8.3)
•
dla zakresu pentodowego (nasycenia)
0
]
)
(
[
2
=
∂
−
∂
=
∂
∂
=
DS
T
GS
DS
D
ds
u
V
u
K
u
i
g
(8.4)
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
9
Wartość g
ds
równa zeru wynika z przyjętego uproszczenia modelu, który pomija
zmiany pradu wyjsciowego ze wzrostem napięcia u
DS
Rys.
Pojemności podawane w katalogach, tzw. zwarciowe, mierzone w układzie ze
wspólnym źródłem, oznaczają:
iss
C
-
pojemność wejściową mierzoną przy zwartym wyjściu,
rss
C
-
pojemność zwrotną,
oss
C
-
pojemność wyjściową, mierzoną przy zwartym wejściu.
Częstotliwość graniczna:
)
(
2
2
max
T
GS
n
V
u
L
f
−
=
π
µ
Zwiększeniu częstotliwości granicznej sprzyjają: zmniejszenie długości kanału L,
większa konduktywność kanału (większa ruchliwość μ
n
).
iss
gd
gs
C
C
C
=
+
rss
gd
C
C
=
oss
gd
ds
C
C
C
=
+
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
10
8.4. Tranzystory JFET
8.4.1.Budowa i działanie
Rys.8.5.
8.4.2.Charakterystyki statyczne i parametry
Charakterystyka przejściowa
Charakterystyka wyjściowa
8.4.3.Model małosygnałowy
8.5. Aplikacje
S
D
G
C
d
a
B
S G D
B
P
N
p - pod
łoże
S G D
B
P
N
p - pod
łoże
J.Piłaciński: Elektronika – materiały pomocnicze do wykładu
11
Tranzystor MOS jako rezystor sterowany napięciem
T
GS
DS
V
u
u
−
<<
(8.6)
można zaniedbać we wzorze na i
D
kwadrat napięcia drenu otrzymując
uproszczony wzór:
DS
T
GS
D
u
V
u
K
i
)
[(
2
−
⋅
=
(8.7)
)
(
2
1
T
GS
D
DS
ds
V
u
K
i
u
r
−
=
=
(8.8)
Stałość rezystancji oznacza pęk odcinków prostych wychodzących z
początku układu współrzędnych dla małych napięć drenu u
DS
.
Bramka analogowa na tranzystorze MOS
Dzięki symetrycznej budowa tranzystora MOS możliwe jest przekazywanie
sygnału w obu kierunkach podczas istnienia kanału przewodzącego. Na rys.
przedstawiono schemat bramki analogowej sterowanej generatorem napięcia e.
Przełączanie rezystancji dren-źródło tranzystora, od 10
-3
Ω w zakresie liniowym
do 10
10
Ω w zakresie odcięcia, umożliwia łączenie źródła sygnału u
we
(t) z
odbiornikiem R
L
.
Tranzystory polowe są sterowane za pomocą pola elektrycznego wywołanego
napięciem przyłożonym do zacisków wejściowych bramki (Gate) i źródła (source)
9. Wybór i stabilizacja punktu pracy
(metody polaryzacji tranzystorów w układach dyskretnych)