FET Field Effect Transistor unipolární tranzistory - aktivní součástky unipolární využívají k činnosti vždy jen jeden druh majoritních nosičů

Transkript

1 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: drain (kanál), S source (zdroj, rozumí se nosičů), G gate (hradlo, řídicí elektroda) základní princip: proud I mezi a S tekoucí kanálem (tok elektronů je opačný) je řízen elektrickým polem z G

2 Rozdělení tři základní skupiny JFET MESFET MOSFET kanál N kanál P kanál N kanál P indukovaný vodivý kanál kanál N P N P

3 JFET Junction Field Effect Transistor mezi G (i substrátem) a kanálem je přechod PN v nevodivém stavu různé způsoby kreslení značek struktura typ N

4 Princip činnosti Bude pojednáno o JFETu s kanálem N. U GS = 0 kanál mezi a S je volně prostupný pro majoritní elektrony mezi P a kanálem je úzká OPN při kladném U S vznikne proud kanálem I při růstu U S nejprve I narůstá lineárně jde o tzv. odporovou oblast při dalším zvyšování U S vznikne OPN mezi a G a kanál se zužuje při určitém napětí U Ssat dojde k zaškrcení kanálu (pinch-off) poblíž I pak již prakticky nenarůstá - oblast saturace (nemá nic společného se saturací BJT) při U GS = 0 teče tranzistorem největší možný proud I SS

5 U GS < 0 mezi G a kanálem se rozšiřuje OPN a vytlačuje z kanálu volné nosiče tím se zúží aktivní průřez kanálu proto se zmenší I čím zápornější je U GS, tím užší je kanál a menší I i zde nastává odporový režim při malých hodnotách U S a saturace při vyšších U S U GS = U GSOFF při tomto napětí dojde k uzavření kanálu rozšířením OPN mezi G a S na celý kanál I klesne prakticky na nulu jde o tzv. cut-off režim JFET pracuje v režimu normally on, za provozu se kanál ochuzuje (depletion mode)

6 Výstupní a převodní charakteristiky výstupní charakteristiky: I = f(u S ) při konst. U GS převodní charakteristiky: I = f(u GS ) při konst. U S v pracovním bodě lze určit y-parametry, např. podle obrázku I y21 s [ S] U GS

7 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 U GS pomocí zdroje kladného napětí U to lze pouze pomocí odporu R S, který tvoří současně zápornou zpětnou vazbu odporem R G neteče prakticky proud; volíme ho v řádu M platí podle 2. Kirchhoffova zákona U U U R I 0 U GS GS RS R S I napětí U GS je stejně velké jako úbytek na R S, má však opačné znaménko klidový pracovní bod volíme uprostřed zatěžovací přímky GS S

8 Zapojení zesilovacího stupně kondenzátory C 1, C 2 oddělují stejnosměrnou složku proudu kondenzátor C S blokuje ZZV pro střídavý signál příklad: určete R S a R, je-li U = 15 V, I = 7,5 ma, potřebné U GS = -0,8 V R S U I GS 0,8 7,5 107 volíme R S = 100 R R 15 7,5 3 7, ; pro R platí 100 R U I U S R S

9 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 U GS podobně jako JFET s rostoucím záporným U GS se zužuje kanál pracuje v ochuzeném režimu (depletion mode)

10 tranzistor normally off speciální typ tloušťka kanálu je menší, než OPN bez napětí (U GS = 0) řídí se kladným napětím U GS, 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

11 MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET mezi kovovým G a kanálem je izolační vrstvička oxidu, nejčastěji SiO 2 dva základní druhy: MOSFET s indukovaným kanálem MOSFET s vodivým (zabudovaným) kanálem nejpoužívanější značky drain, S source, G gate, B body (substrát)

12 Struktura MOSFETu s indukovaným kanálem N S a je obohacený polovodič N, substrát je typu P, elektroda G je kov (Al) G je oddělen od polovodiče vrstvičkou izolantu, obvykle SiO 2 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!

13 Vznik inverzní vrstvy přiložením kladného napětí U GS 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 U GS nad hodnotu U T se k povrchu přitáhnou ze substrátu elektrony takto se vytvoří (indukuje) kanál typu N hodnota prahového napětí U T bývá 0,5 V až jednotky V

14 Struktura MOSFETu s vodivým kanálem N na povrchu substrátu je zabudovaný kanál typu N kanál je vodivý i bez řidicího napětí U GS = 0 přivedením kladného U GS se přitáhnou ze substrátu další elektrony vodivost kanálu se tak zvýší jde o obohacený režim (enhancement mode) přivedením záporného U GS se naopak elektrony z kanálu odpudí vodivost kanálu klesá, je v ochuzeném režimu (depletion mode) prahové napětí U T, při kterém se kanál uzavře, je tedy záporné

15 Výstupní charakteristiky I = f(u S ) při konst. U GS podobají se charakteristikám JFETu odporová oblast a oblast nasycení v odporové oblasti roste I lineárně s U S s rostoucím U S se rozšiřuje OPN v blízkosti a kanál se zaškrcuje, I již téměř neroste odlišují se od JFETu hodnotami parametru řídicího napětí U GS kanál se otevírá při U GS > U T a při jeho zvyšování se rozšiřuje Převodní charakteristiky I = f(u GS ) při konst. U S proud I začíná téci při U GS > U T MOSFET s indukovaným kanálem

16 Výstupní a převodní charakteristiky MOSFET s indukovaným kanálem N I y21 s [ S] U GS

17 Výstupní a převodní charakteristiky MOSFET s vodivým kanálem N U GS nabývá kladných i záporných hodnot - převodní charakteristiky jsou ve 2 kvadrantech

18 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 U GS Nastavení kladného klidového napětí U GS pomocí zdroje kladného napětí U 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 k )

19 Nastavení nulového klidového napětí U GS je možné u tranzistoru s vodivým kanálem G se spojí se S přes R G, na kterém vzniká nulový úbytek napětí R G volíme ho v řádu M kvůli velkému vstupnímu odporu pro střídavý signál

20 Nastavení záporného klidové napětí U GS je účelné jen u tranzistoru s vodivým kanálem podobně jako u JFETu lze pouze pomocí odporu R S, který tvoří současně ZZV platí podle 2. Kirchhoffova zákona U U U R I 0 U GS GS RS R S I GS S

21 Zapojení zesilovacího stupně kondenzátory C 1, C 2 oddělují stejnosměrnou složku proudu od vstupu a výstupu R S tvoří proudovou sériovou ZZV C S blokuje ZZV pro střídavý signál R 15 7,5 3 7, R 900

22 R Příklad 1 Určete R a R G pro volbu pracovního bodu tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem podle obrázku. U 2I ,006 R G zvolíme velký, např. 1 M k

23 Příklad 2 Určete R, R G1 a R G2 pro volbu pracovního bodu tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem podle obrázku. R U 2I 24 2, 4 2.0,005 k zvolíme R = 2,2 k odpory děliče volíme s ohledem na vstupní odpor zesilovače velké, např. R G1 = 1 M UGS 4 RG RG k volíme R G2 = 220 k U U 24 4 GS

24 Příklad 3 Určete R, R G1 a R G2 pro volbu pracovního bodu tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem podle obrázku, jsou-li k dispozici výstupní charakteristiky a R S = 330. U U S RS I ,002 R 2170 zvolíme R = 2,2 k I 0,002 odpory děliče: volíme např. R G1 = 1 M UGS U RS UGS RS I ,002 RG 2 RG 1 RG k U ( U U ) U ( U R I ) 10 ( ,002) GS volíme R G2 = 470 k RS GS S

25 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

26 popis činnosti invertoru: při nulovém a malém U vst je indukován kanál P, kanál N nikoliv tranzistor P je otevřen, N zavřen na výstupu je napětí zdroje U výst = U překročí-li U vst prahové napětí U T, vytvoří se kanál N a zanikne P tranzistor P je zavřen, N otevřen na výstupu je nulové napětí U výst změna stavu je velmi rychlá v obou krajních stavech je spotřeba prakticky nulová značky invertoru

27 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 R G2 děliče napětí MOSFETu s indukovaným kanálem, jeli U GS = 3 V, U = 12 V, R G1 = 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 U GS. Nakreslete výstupní charakteristiky tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem. Nakreslete zapojení pro nastavení klidového pracovního bodu tranzistoru MOSFET s kanálem N, má-li být U GS kladné. Vysvětlete, v čem spočívá rozdíl mezi tranzistory JFET a MESFET? Vypočítejte R S JFETu s kanálem N, je-li I = 5 ma a U GS = -3 V