FET – Field Effect Transistor unipolární tranzistory - aktivní součástky • unipolární – využívají k činnosti vždy jen jeden druh majoritních nosičů (elektrony nebo díry) • pracují s kanálem jednoho typu vodivosti - N nebo P • do kanálu jsou přiváděny a procházejí jím nosiče náboje z vnějšího obvodu • vodivost kanálu se řídí napětím na řídicí elektrodě • označení elektrod: D – drain (kanál), S – source (zdroj, rozumí se nosičů), G – gate (hradlo, řídicí elektroda) • základní princip: proud ID mezi D a S tekoucí kanálem (tok elektronů je opačný) je řízen elektrickým polem z G
Rozdělení tři základní skupiny
JFET
kanál N
kanál P
MESFET
kanál N
kanál P
MOSFET
indukovaný kanál
N P
vodivý kanál
N
P
JFET – Junction Field Effect Transistor • mezi G (i substrátem) a kanálem je přechod PN v nevodivém stavu
různé způsoby kreslení značek
struktura – typ N
Princip činnosti Bude pojednáno o JFETu s kanálem N. • UGS = 0 • kanál mezi D a S je volně prostupný
pro majoritní elektrony • mezi P a kanálem je úzká OPN • při kladném UDS vznikne proud kanálem ID • při růstu UDS nejprve ID narůstá lineárně • jde o tzv. odporovou oblast • při dalším zvyšování UDS vznikne OPN
mezi D a G a kanál se zužuje • při určitém napětí UDSsat dojde k zaškrcení kanálu (pinch-off) poblíž D • ID pak již prakticky nenarůstá - oblast saturace (nemá nic společného se saturací BJT) • při UGS = 0 teče tranzistorem největší možný proud IDSS
• UGS < 0
• mezi G a kanálem se rozšiřuje OPN a vytlačuje z kanálu volné nosiče • tím se zúží aktivní průřez kanálu • proto se zmenší ID • čím zápornější je UGS, tím užší je kanál a menší ID • i zde nastává odporový režim při malých hodnotách UDS a saturace při vyšších UDS
• UGS = UGSOFF • při tomto napětí dojde k uzavření kanálu rozšířením OPN mezi G a S na celý kanál • ID klesne prakticky na nulu • jde o tzv. cut-off režim • JFET pracuje v režimu „normally on“, za provozu se kanál ochuzuje (depletion mode)
Výstupní a převodní charakteristiky • výstupní charakteristiky: ID = f(UDS) při konst. UGS • převodní charakteristiky: ID= f(UGS) při konst. UDS • v pracovním bodě lze určit y-parametry, např. podle obrázku
y21s
ID [S ] U GS
Nastavení klidového pracovního bodu Pojednává se o zapojení se společným sourcem (SS), tranzistor s kanálem N, třída zesilovače A. • je třeba nastavit záporné klidové napětí UGS pomocí zdroje kladného napětí UDD • to lze pouze pomocí odporu RS, který tvoří současně zápornou zpětnou vazbu • odporem RG neteče prakticky proud; volíme ho v řádu M • platí podle 2. Kirchhoffova zákona
U GS U RS U GS U GS
RS I D
0
RS I D
• napětí UGS je stejně velké jako úbytek na RS, má však opačné znaménko • klidový pracovní bod volíme uprostřed zatěžovací přímky
Zapojení zesilovacího stupně • kondenzátory C1, C2 oddělují stejnosměrnou složku proudu • kondenzátor CS blokuje ZZV pro střídavý signál • příklad: určete RS a RD , je-li UDD = 15 V, ID = 7,5 mA, potřebné UGS = -0,8 V
RS
U GS ID
0,8 107 7,5
volíme RS = 100
; pro RD platí
15 7,5 100 3 7,5.10
RD RD
900
RD
U DD U DS ID
RS
MESFET – MEtal Semiconductor FET • MESFET je podobný JFETu, ale přechod mezi G a kanálem je Schottkyho (kov – N) • tranzistor „normally on“ – řídí se záporným napětím UGS podobně jako JFET • s rostoucím záporným UGS se zužuje kanál – pracuje v ochuzeném režimu (depletion mode)
• tranzistor „normally off“ – speciální typ • tloušťka kanálu je menší, než OPN bez napětí (UGS = 0) • řídí se kladným napětím UGS, s jehož růstem se OPN zužuje a kanál rozšiřuje
• pracuje v obohaceném režimu (enhancement mode) • po překročení prahového napětí by však došlo k otevření hradla a nárůstu proudu z G
Použití tranzistorů JFET a MESFET • vysokofrekvenční technika – JFET do řádu GHz, MESFET desítky GHz • číslicové obvody
MOSFET – Metal Oxide Semiconductor FET • mezi kovovým G a kanálem je izolační vrstvička oxidu, nejčastěji SiO2 • dva základní druhy: MOSFET s indukovaným kanálem MOSFET s vodivým (zabudovaným) kanálem • nejpoužívanější značky • D – drain, S – source, G – gate, B – body (substrát)
Struktura MOSFETu s indukovaným kanálem N • S a D je obohacený polovodič N, substrát je typu P, elektroda G je kov (Al) • G je oddělen od polovodiče vrstvičkou izolantu, obvykle SiO2 • šipka ve značce znázorňuje kladný směr toku proudu substrátovou diodou substrát P – N • vzniku proudu touto diodou se musí zabránit, proto je u diskrétních součástek spojen S s B Poznámka: uspořádání gate – izolant – substrát představuje miniaturní kondenzátor s nepatrnou kapacitou C; přivedením i jen malého náboje Q může vzniknout napětí U, které izolant může prorazit a tranzistor zničit. Q CU MOSFETy se musí důsledně chránit před statickou elektřinou!
Vznik inverzní vrstvy • přiložením kladného napětí UGS na G proti S se nejprve odpudí majoritní díry od povrchu B a vznikne OPN (kladný náboj na G je kompenzován nepohyblivými náboji akceptorů) • dalším zvýšením UGS nad hodnotu UT se k povrchu přitáhnou ze substrátu elektrony • takto se vytvoří (indukuje) kanál typu N • hodnota prahového napětí UT bývá 0,5 V až jednotky V
Struktura MOSFETu s vodivým kanálem N • na povrchu substrátu je zabudovaný kanál typu N • kanál je vodivý i bez řidicího napětí – UGS = 0 • přivedením kladného UGS se přitáhnou ze substrátu další elektrony • vodivost kanálu se tak zvýší – jde o obohacený režim (enhancement mode) • přivedením záporného UGS se naopak elektrony z kanálu odpudí • vodivost kanálu klesá, je v ochuzeném režimu (depletion mode) • prahové napětí UT, při kterém se kanál uzavře, je tedy záporné
Výstupní charakteristiky • ID = f(UDS) při konst. UGS • podobají se charakteristikám JFETu – odporová oblast a oblast nasycení • v odporové oblasti roste ID lineárně s UDS • s rostoucím UDS se rozšiřuje OPN v blízkosti D a kanál se zaškrcuje, ID již téměř neroste • odlišují se od JFETu hodnotami parametru – řídicího napětí UGS • kanál se otevírá při UGS > UT a při jeho zvyšování se rozšiřuje
Převodní charakteristiky
• ID= f(UGS) při konst. UDS • proud ID začíná téci při UGS > UT MOSFET s indukovaným kanálem
Výstupní a převodní charakteristiky MOSFET s indukovaným kanálem N
y21s
ID [S ] U GS
Výstupní a převodní charakteristiky MOSFET s vodivým kanálem N UGS nabývá kladných i záporných hodnot - převodní charakteristiky jsou ve 2 kvadrantech
Nastavení klidového pracovního bodu Pojednává se o zapojení se společným sourcem (SS), tranzistor s kanálem N, třída zesilovače A. • je více možností – záleží na tom, je-li třeba kladné, záporné nebo nulové UGS Nastavení kladného klidového napětí UGS pomocí zdroje kladného napětí UDD • je možné u tranzistoru s vodivým i indukovaným kanálem • provede se děličem napětí • s ohledem na vstupní odpor zesilovače se volí odpory děliče velké (např. 102 k )
Nastavení nulového klidového napětí UGS • je možné u tranzistoru s vodivým kanálem • G se spojí se S přes RG, na kterém vzniká nulový úbytek napětí • RG volíme ho v řádu M kvůli velkému vstupnímu odporu pro střídavý signál
Nastavení záporného klidové napětí UGS • je účelné jen u tranzistoru s vodivým kanálem • podobně jako u JFETu lze pouze pomocí odporu RS, který tvoří současně ZZV • platí podle 2. Kirchhoffova zákona
U GS U RS U GS U GS
RS I D
RS I D
0
Zapojení zesilovacího stupně • kondenzátory C1, C2 oddělují stejnosměrnou složku proudu od vstupu a výstupu • RS tvoří proudovou sériovou ZZV • CS blokuje ZZV pro střídavý signál
15 7,5 100 3 7,5.10
RD RD
900
Příklad 1 Určete RD a RG pro volbu pracovního bodu tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem podle obrázku. U DD 12 RD 1k 2 I D 2.0,006 RG zvolíme velký, např. 1 M
Příklad 2 Určete RD, RG1 a RG2 pro volbu pracovního bodu tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem podle obrázku. U DD 24 RD 2,4k zvolíme RD = 2,2 k 2 I D 2.0,005 odpory děliče volíme s ohledem na vstupní odpor zesilovače velké, např. RG1 = 1 M U GS 4 RG 2 RG1 10 6 200 k volíme RG2 = 220 k U DD U GS 24 4
Příklad 3 Určete RD, RG1 a RG2 pro volbu pracovního bodu tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem podle obrázku, jsou-li k dispozici výstupní charakteristiky a RS = 330 . U DD U DS RS I D 10 5 330 .0,002 RD 2170 zvolíme RD = 2,2 k ID 0,002 odpory děliče: volíme např. RG1 = 1 M U GS U RS U GS RS I D 4 330 .0,002 RG 2 RG1 RG1 10 6 499 k U DD (U GS U RS ) U DD (U GS RS I D ) 10 (4 330 .0,002 ) volíme RG2 = 470 k
CMOS – Complementary MOS • komplementární pár – dvojice tranzistorů opačného typu kanálu, ale stejných parametrů
• technologie používaná v číslicových integrovaných obvodech • invertor - základní stavební prvek číslicových IO • struktura a schéma invertoru s jámou P (well P) v substrátu N
• popis činnosti invertoru: • při nulovém a malém Uvst je indukován kanál P, kanál N nikoliv • tranzistor P je otevřen, N zavřen • na výstupu je napětí zdroje Uvýst = UDD • překročí-li Uvst prahové napětí UT, vytvoří se kanál N a zanikne P • tranzistor P je zavřen, N otevřen • na výstupu je nulové napětí Uvýst • změna stavu je velmi rychlá značky invertoru • v obou krajních stavech je spotřeba prakticky nulová
Skupina A Nakreslete a popište strukturu tranzistoru JFET s kanálem N. Popište vznik inverzní vrstvy tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem N . Nakreslete výstupní charakteristiky tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem. Nakreslete zapojení pro nastavení klidového pracovního bodu tranzistoru JFET s kanálem N. Vysvětlete, co je příčinou saturace unipolárního tranzistoru a jak se projevuje. Vypočítejte RG2 děliče napětí MOSFETu s indukovaným kanálem, jeli UGS = 3 V, UDD = 12 V, RG1 = 1 M
Skupina B Nakreslete a popište strukturu tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem N. Vysvětlete, jak se chová kanál N tranzistoru JFET po přivedení záporného UGS. Nakreslete výstupní charakteristiky tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem. Nakreslete zapojení pro nastavení klidového pracovního bodu tranzistoru MOSFET s kanálem N, má-li být UGS kladné. Vysvětlete, v čem spočívá rozdíl mezi tranzistory JFET a MESFET? Vypočítejte RS JFETu s kanálem N, je-li ID = 5 mA a UGS = -3 V
