DE, Kísérleti Fizika Tanszék
TFBE1301 Elektronika 1. Térvezérlésű tranzisztorok
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
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])
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
JFET 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.
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
D
JFET
G
3 szennyezett tartomány, 3 kivezetés: Forrás (S-Source), Kapu (G-Gate), Nyelő (D-Drain)
D
JFET rajzjelek: G
S
p-csatornás
D G
S
n-csatornás
S UDG UGS
IG
ID
UDS IS
n-csatornás JFET jelleggörbéi: ⎛ U I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎝ UP
meredek ΔI D Sség = ΔU GS
⎞ ⎟⎟ ⎠
2
rDS =
ΔU DS ΔI D
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
JFET
JFET műszaki adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján)
Bemeneti ellenállás:
rGS
Differenciális kimeneti ellenállás:
rDS
Meredekség:
S
Kapu-forrás lezárási feszültség: Forrás-nyelő telítési áram:
UP
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
rDS =
IDSS (≈30V) (≈-30V) (≈25mA) (≈5nA) (≈300mW) (≈135°C)
⎛ U I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎝ UP
⎞ ⎟⎟ ⎠
2
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
JFET
JFET alapkapcsolásai: +Ut
+Ut
S D
USG>0
G
G
UDG
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
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
JFET alkalmazásai Erősítőfokozat
+12V RT=1kΩ
T
C1=22nF
Ube
UGS
C2=22nF
UDS Uki
UDS
U 6V
RG=1MΩ
-2V ID 10 mA
ID
UDS
Uki0
12 V
12 mA
Ube0
t
5 mA
t
6V
Ube -2 V
Uki
t
UGS UDS = Ut - IDRT
-2 V
UGS
t
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
JFET alkalmazásai
Kapcsolófokozat JFET-tel
Ube
Ha U vez ≤ U be − U P és így Uki = 0 V .
Uki
R
, akkor a tranzisztor lezár
A JFET nyitásához UGS = 0 V (vagyis Uvez= Ube) kell, ami nem egyszerű, ha az Ube időben változik. Nyitott tranzisztornál Uki ≈ Ube .
Uvez
Javított kapcsolófokozat
Ube Uvez
R1
D
R
Uki
U vez ≤ U be − U P Ha , 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 .
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
MOSFET
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 n-típusú vezető híd
Működés: Növekményes n-csatornás típus: A forráshoz és a szubsztráthoz képest pozitív UGS kapufeszültség 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 kapufeszültséggel teljesítmény felvétel nélkül változtatható híd vezetőképessége (és így a hídon átfolyó ID áram).
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
MOSFET
n-csatornás, növekményes MOSFET jelleggörbéi: ID - UGS vezérlő jelleggörbe,
ID - UDS kimeneti jelleggörbe
meredekség
S=
ΔI D ΔU GS
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
MOSFET 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
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
MOSFET n-csatornás, kiürítéses MOSFET jelleggörbéi: ID - UGS vezérlő jelleggörbe,
ID - UDS kimeneti jelleggörbe
meredekség
S=
ΔI D ΔU GS
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
MOSFET
MOSFETek jellemző adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján)
Bemeneti ellenállás: Differenciális kimeneti ellenállás:
rGS rDS
Meredekség: Kapu-forrás lezárási feszültség: Forrás-nyelő telítési áram: Kapu-forrás kapacitás: Nyelő-forrás max. feszültség: Kapu-forrás max. feszültség: Maximális nyelőáram:
S UP IDSS CGS UDSmax UGSmax IDmax
rGS ≈ áll.( ≈ 1014 − 1015 Ω) ΔU DS rDS = ≈ 10 − 50kΩ ΔI D ΔI D mA ≈ 5 − 12 S= ΔU GS V
CGS ≈ 2 − 5 pF (≈40V) (≈±10V) (≈50mA)
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.
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
MOSFET MOSFET alkalmazásai Forráskapcsolású erősítőfokozat
ID
ID
+18V R1 C1
Ube
RG
RL
18 V
C2
9 mA
t
9 mA
T UGS
UDS
9V
Uki
UDS
3V
UGS
t
t
UDS = Ut - IDRT Nyelőkapcsolású illesztőfokozat Kapcsolófokozat MOSFET-tel
+18V C1 R1
T
UDS
Ube
C2 Ube
RG
UGS
RL
Uki
Uvez
R
Uki
TFBE1301 Elektronika 1.
DE, Kísérleti Fizika Tanszék
FET típusok összefoglalása