F1301 Bevezetés az elektronikába Térvezérlésű tranzisztorok

DE, Kísérleti Fizika Tanszék

F1301 Bevezetés az elektronikába

Térvezérlésű tranzisztorok

F1301 Bev. az elektronikába


TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOROK (FET-ek) Térvezérlésű (unipoláris) tranzisztor (Field Effect Transistor [FET]) A bipoláris tranzisztorokkal szemben itt nem a bemeneti (bázis-) áram vezérli a tranzisztort, hanem a bemeneti (kapu-) feszültség által keltett elektromos tér. Ezáltal a FET kimeneti (nyelő-) árama igen kis bemeneti teljesítménnyel ( ~teljesítmény nélkül) vezérelhető. Kis fogyasztású áramköröknél előnyösen alkalmazhatók. Két fő típus: - Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (Junction Field Effect Transistor [JFET]) - Szigetelt kapuelektródás térvezérlésű tranzisztor (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor [MOSFET])



Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET) Felépítés:Szennyezett félvezető kristályszakasz, két szemközti oldalán a szakasszal ellentétesen szennyezett, közös (G) kivezetéssel rendelkező tartománnyal. A kristályszakasz és a két szélső tartomány között két PN átmeneti réteg(záróréteg) alakul ki. Ezen a zárórétegen nem tud elektron keresztülhatolni, mivel az átmeneti rétegben levő elektromos tér kilöki onnan őket.

n

p

Működés: Az elektronok számára áramlási útként csak a középső csatorna áll rendelkezésre. A csatornán átfolyó áram nagyságát a csatorna két végére rákapcsolt feszültség és a csatorna pályaellenállása határozza meg. A kapu (G) és a forrás (S) közé kapcsolt záróirányú UGS feszültség nagyságának növelésével a zárórétegek kiszélesednek, így a csatorna keresztmetszete csökken ⇒ így állandó UDS mellett csökken a csatornán átfolyó ID áram. Előny: az UGS feszültség szinte teljesítményfelvétel nélkül vezéreli az ID áramot.



3 szennyezett tartomány, 3 kivezetés: Forrás (S-Source), Kapu (G-Gate), Nyelő (D-Drain) D

JFET rajzjelek: G

S

p-csatornás

⎞ ⎟⎟ ⎠

G

D G

S

S

n-csatornás

n-csatornás JFET jelleggörbéi:

⎛ U I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎝ UP

D

UDG

IG

ID

UDS

2

UGS

IS

meredekség

S=

ΔI D ΔU GS

rDS =

ΔU DS ΔI D



JFET műszaki adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján)

Bemeneti ellenállás:

rGS

Differenciális kimeneti ellenállás:

rDS

Meredekség:

S

Kapu-forrás lezárási feszültség:

UP IDSS

Forrás-nyelő telítési áram: Nyelő-forrás max. feszültség:

UDSmax Kapu-forrás max. feszültség: UGSmax Maximális nyelőáram: IDmax Maximális kapu záróáram: IGmax Maximális veszteségi teljesítmény: Ptot Maximális hőmérséklet: Tj

rGS ≈ áll.(≈ 1010 − 1014 Ω) ΔU DS ≈ 80 − 200Ω ΔI D ΔI D mA ≈ 3 − 10 S= ΔU GS V 2 ⎛ U ⎞ I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎟⎟ ⎝ UP ⎠ rDS =

(≈30V) (≈-30V) (≈25mA) (≈5nA) (≈300mW) (≈135°C)



JFET alapkapcsolásai:

+Ut

+Ut S D

USG>0

G

G

UC B

UGS<0

D S

-Ut

G

UDS

S D

UGD<0

USD

Kapukapcsolás

Forráskapcsolás

Nyelőkapcsolás (forráskövető)

erősítőként nem használják a túl nagy D-G ellenállás miatt

jó fesz. és áramerősítés

nincs feszültségerősítés

(erősítők)

(impedancia illesztőfokozat)

Leggyakrabban ezt alkalmazzák!

Ut-UGD

Ut-USD G

S D

+Ut a kisebb bemeneti kapacitás miatt előnyösebb, mint az emitterkövető



JFET alkalmazásai

+12V Erősítőfokozat

RT=1kΩ C1=22nF

Ube

T

UGS

C2=22nF

UDS

-2V ID

6V

Uki Uki0

RG=1MΩ

ID

UDS

U

Ube0

t

UDS

10 mA

Ube Uki

12 V

12 mA

-2 V

5 mA t

6V

-2 V

UGS

t

UDS = Ut - IDRT

UGS

t



Kapcsolófokozat JFET-tel

Ube

Ha U vez ≤ U be − U P , akkor a tranzisztor lezár és így Uki = 0 V .

Uki

R

Uvez

A JFET nyitásához UGS = 0 V (vagyis Uvez= Ube) kell, ami nem egyszerű, ha az Ube időben változik. Nyitott tranzisztornál Uki ≈ Ube .

Javított kapcsolófokozat

Ube Uvez

R1

D

R

Uki

Ha U vez ≤ U be − U P , akkor a D dióda nyitva van és tranzisztor lezár, így Uki = 0 V . Ha Uvez > Ube , akkor a D dióda zár és UGS=0 V lesz, így a FET kinyit, így Uki ≈ Ube .



MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)

Felépítés: Szennyezett félvezető kristály (szubsztrát) két, a szakasszal ellentétesen szennyezett szigettel (forrás és nyelő). A két sziget közötti kristályrész felett, a kristálytól elszigetelve található a kapuelektróda.

n-csatornás növekményes (önzáró) típus Működés:

n-típusú vezető híd Növekményes n-csatornás típus: A forráshoz és a szubsztráthoz képest pozitív UGS kapu-feszültség hatására a forrás(S) és a nyelő(D) között n-típusú vezető híd jön létre, ennek vastagsága (és vezetőképessége) a feszültség növelésével növekszik. ⇒ így állandó UDS mellett pozitív UGS kapu-feszültséggel teljesítmény felvétel nélkül változtatható híd vezetőképessége (és így a hídon átfolyó ID áram).



n-csatornás, növekményes MOSFET jelleggörbéi:

ID - UGS vezérlő jelleggörbe,

S=

ΔI D ΔU GS

meredekség

ID - UDS kimeneti jelleggörbe



Kiürítéses n-csatornás típus: A forráshoz és a szubsztráthoz képest pozitív UGS kapu-feszültség hatására a forrás(S) és a nyelő(D) közötti n-típusú vezető híd kiszélesedik, míg negatív UGS kapu-feszültség hatására elvékonyodik. n-csatornás kiürítéses (önvezető) típus ⇒ így állandó UDS mellett mind pozitív, mind negatív UGS kapu-feszültséggel teljesítmény felvétel nélkül változtatható híd vezetőképessége (és így a hídon átfolyó ID áram). MOSFET rajzjelek: D G

S

D G

S

D G

S

D G

S

n-csatornás

p-csatornás

n-csatornás

p-csatornás

kiürítéses

kiürítéses

növekményes

növekményes



n-csatornás, kiürítéses MOSFET jelleggörbéi:

ID - UGS vezérlő jelleggörbe,

S=

ΔI D ΔU GS

meredekség

ID - UDS kimeneti jelleggörbe



MOSFETek jellemző adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján)

rGS

rGS ≈ áll.(≈ 1014 − 1015 Ω)

Differenciális kimeneti ellenállás:

rDS

rDS =

Meredekség:

S UP IDSS CGS UDSmax UGSmax IDmax

CGS ≈ 2 − 5 pF (≈40V) (≈±10V) (≈50mA)

Bemeneti ellenállás:

Kapu-forrás lezárási feszültség: Forrás-nyelő telítési áram: Kapu-forrás kapacitás: Nyelő-forrás max. feszültség: Kapu-forrás max. feszültség: Maximális nyelőáram:

ΔU DS ≈ 10 − 50kΩ ΔI D ΔI D mA ≈ 5 − 12 S= ΔU GS V

A statikus töltések igen veszélyesek a MOSFET kapu-szubsztrát közötti rétegére, ugyanis a nagy bemeneti ellenállás és kis kapacitás miatt könnyen felléphet az átütési szintnél magasabb feszültség. Emiatt a MOSFET áramköröket rövidrezárt kivezetésekkel szállítják és néhány típusnak a bemeneteit beépített Z-diódás túlfeszültség-védelemmel látják el.



MOSFET alkalmazásai Forráskapcsolású erősítőfokozat

+18V

ID

ID

UDS

18 V 9 mA

R1

C2

T

C1

Ube

RL

RG

t

9 mA

UGS

Uki

UDS

9V

3V

t

UGS

UDS = Ut - IDRT t

Nyelőkapcsolású illesztőfokozat

+18V C1 R1

Ube

RG

T

Kapcsolófokozat MOSFET-tel

UDS

Ube

C2

UGS

RL

Uki

Uvez

R

Uki


FET típusok összefoglalása:


F1301 Bevezetés az elektronikába Térvezérlésű tranzisztorok

Recommend Documents