UNIPOLÁRNÍ TRANZISTOR

Transkript

1 UNIPOLÁRNÍ TRANZISTOR Unipolární tranzistor neboli polem řízený tranzistor, FET (Field Effect Transistor), se stejně jako tranzistor bipolární používá pro zesilování, spínání signálů a realizaci logických funkcí. Jeho přednostmi jsou především velmi vysoký vstupní odpor, malý řídicí příkon, velký rozsah kolektorových proudů. Mělká struktura umožňuje vysoký stupeň integrace, dobrý odvod ztrátového výkonu tranzistoru z čipu. Pracovní bod lze nastavit již při výrobě bez použití vnějších součástí. Základní typy unipolárních tranzistorů: MOS-FET izolace vrstvou oxidu SiO 2 (Metal Oxid Semiconductor) J-FET izolace PN přechodem v závěrném směru (junction-) N nebo P předřazené znaku znamená typ vodivosti kanálu C předřazené znaku znamená prvek s kanály P i N Princip a schematickou značku nejčastějšího tranzistoru N-MOS ukazuje obr V základním materiálu typu P je vytvořen tenký kanálek vodivosti typu N s vývody označenými E - emitor (též S - source) a K - kolektor (též D - drain). Kanálek je překryt tenkou izolační vrstvou SiO 2, na níž je napařena kovová řídicí elektroda G 1 (gate). Záporné napětí na řídicí elektrodě G 1 proti vývodu E vypudí elektrostatickým polem z kanálku N nosiče nábojů - elektrony a tím způsobí pokles jeho vodivosti. Tranzistor je tedy řízen napětím na řídicí elektrodě U G. Obr Intenzitou dotace příměsi v kanálku je možno vyrobit tranzistory buď s ochuzujícím modem, které propouštějí kolektorový proud při nulovém U G nebo s obohacujícím se modem, které jsou při U G = 0 nevodivé. Vedle polem řízených tranzistorů s N kanálem jsou vyráběny tranzistory s P kanálem, u nichž kladné napětí U G snižuje a záporné zvyšuje vodivost kanálu. Tranzistory s P kanálem mají ve schematické značce šipku v elektrodě G 2 znázorňující nosnou destičku substrátu, orientovanou ven. Šipka v G 2 znázorňuje vodivost diody kanál - G 2 (substrát). G 2 se většinou spojuje s emitorem E.

2 Statické charakteristiky unipolárního transistoru N-MOS na obr Vstupní charakteristika se nekreslí. Výstupní charakteristiku v okolí pracovního bodu lze nahradit lineární aproximací dle vztahu (3.12),: I = y. U + y. U k 21 G 22 k (3.12) kde parametry jsou strmosti charakteristik: převodní y 21 = S je řídicí strmost, bývá 0,3 až 30 ms, výstupní y 22 výstupní vodivost, bývá 10-5 až 10-3 ms. Mezní parametry I kmax, U kmax, P max jsou dány stejně jako u bipolárních tranzistorů a jsou řádově stejné. U gmax má u MOS - FETů dovolenou hodnotu v obou polaritách stejnou, asi 20 V. Její překročení vede k okamžitému zničení tranzistoru průrazem izolační vrstvičky pod řídicí elektrodou. Vysoký vstupní odpor (větší než 10 9 ) a malá kapacita řídicí elektrody (cca 3 pf) způsobí naindukování vysokého napětí i malým přeneseným nábojem, např. při vyjímání prvku z polyethylenového sáčku, náhodným dotykem atd. Proto výrobce často vytváří přímo na čipu paralelně mezi řídicí elektrodou a čipem Zenerovu diodu, která nadměrná přepětí svede. Obr Pozn.: Přesto, že moderní prvky s FET prvky, jakými jsou např. mikroprocesorové obvody, chýněny ochrannými diodami umístěnými přímo na čipu, doporučuje se je transportovat v antistatických pouzdrech nebo ve staniolu, při pájení používat páječku na nízké napětí, její hrot vodivě spojit se vývodem substrátu. Trasformátorová, tzv. pistolová páječka se pro práci s MOS prvky nedoporučuje, neboť je zejména při spínání a vypínání tlačítka zdrojem značného přepětí.

3 Porovnání vlastností unipolárních a bipolárních tranzistorů Výhody polem řízených tranzistorů proti bipolárním: 1. Velmi vysoký vstupní odpor (10 9 až ) znamená téměř nulovýstatický vstupní proud anulový vstupní příkon ve statickém režimu. Vstupní obvod staticky nezatěžuje zdroj signálu - předcházející stupěň. 2. Výstupní obvod otevřeného tranzistoru se chová jako ohmický odpor, při malém proudu I k je napětí U k tranzistoru téměř nulové (R DS(on) < 0,01 ). Kladný koeficient teplotní závislosti odporu R DS(on) usnadňuje paralelní řazení tranzistorů. 3. Na otevřeném tranzistoru je možné dosáhnout velmi malého úbytku napětí a tím velmi malých výkonových ztrát, velikých proudů. 4. Možnost velmi velké hustoty integrace, protože: a) struktura je velmi mělká, lze dosáhnout velké rozlišovací schopnosti při výrobě. N MOS tranzistor se stal začátkem 70tých let základní součástkou mikroprocesorů a podmínil vývoj moderní mikroelektroniky. b) velmi malý vstupní příkon umožňuje navrhnout i předchozí stupně na malý výkon a umístit je na malé ploše c) tím, že lze volit ochuzením či obohacením kanálu polohu charakteristiky pro U G = 0, nejsou zapotřebí obvody pro nastavení a posouvání pracovního bodu d) kombinací N MOS a P MOS FETem tvoří C MOS integrované obvody 5. Relativně malý vlastní šum, zejména u J-FETů, které pracují až do velmi vysokých frekvencí (20 GHz). Nevýhodou MOS-FETů je zatím omezené pracovní napětí kolektorového obvodu - pod 1000 V. Částečně řeší IGBT - viz dále. Nevýhodou MOS-FETů staršího provedení bylo nebezpečí snadného proražení řídicí elektrody, pokud není chráněna. Proto se provádí ochrana hradla ochrannými diodami, které mohou být integrovány přímo na čipu nebo se připojí z vnějšku. Prakticky dosažitelná rychlost spínání u MOS-FETů do značné míry závisí i na budicím obvodu tranzistoru, který musí u rychlých spínačů dodávat velký proud, potřebný pro nabíjení a vybíjení kapacity hradla řízeného tranzistoru. Částečně řeší IGBT - viz dále.

4 IGBT TRANZISTOR C C G G E a) b) Obr R s E IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzistor) je struktura, která se svými vlastnostmi chová jako unipolární tranzistor na vstupu a bipolární tranzistor na výstupu. Jeho schematická značka a náhradní schéma struktury jsou na obr a) a b). IGBT slučuje výhody napěťového řízení a menšího saturačního napětí při možnosti provozu s napětím U k i přes 1000 V. Vzhledem k dobrým dynamickým vlastnostem se uplatňuje zejména ve výkonových měničích od malých až k největším výkonům. Předností IGBT jsou poměrně dobré dynamické vlastnosti a možnost jejich ovlivnění již při výrobě. V současné době jsou na trhu čtyři kategorie těchto tranzistorů, které se liší poměrem velikosti statických ztrát (v sepnutém stavu) a ztrát při přepínání, které při vyšší frekvenci spínání reprezentují rozhodující ztrátový výkon. Kategorie STD (standard) je vhodná pro provoz do 20 khz, kategorie FAST a ULTRAFAST jsou určeny pro aplikace do 40 resp. 80 khz a kategorie WARP jsou určeny pro rychlé spínané zdroje pro frekvence do 150 khz (při proudu do 27 A a napětí 600 V. Hlavní uplatnění nacházejí IGBT ve výkonových měničích pracujících s pulzní šířkovou modulací výstupního napětí, ve spínaných zdrojích a rychlých spínačích.

5 STUPEŇ SE SPOLEČNÝM EMITOREM S UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM NMOS. Řešíme soustavu rovnice charakteristiky unipolárního tranzistoru a rovnic vnějšího obvodu. Schéma zapojení stupně je na obr R k 1k5 +12V 10k G 1 K i k G 2 U A u g u g R G 4M7 E u k 0V -5V 33k Obr Pozn.: Pracovní bod je pro tranzistor BS108 nastaven potenciometrem tak, že i ko = 3,3 ma (u go = -2 V), potom u ko = U A - R k i ko = 5 V Pokud však volíme unipolární tranzistor, který má vhodný kolektorový proud při Ug = 0, můžeme zdroj záporného napětí vynechat a rezistor RG připojit na společnou sběrnici 0V. Pozn.: Použitý unipolární tranzistor je typu NMOS, zapamatujeme si to tak, že elektroda G2 znázorňuje substrát, tj.podložku čipu. Šipka znázorňuje vodivost diody mezi substrátem a kanálkem. Substrát je zde anoda diody, má vodivost P, proto kanálek tvoří katodu diody, má vodivost N. Podle vodivosti kanálku označujeme typ tranzistoru NMOS nebo PMOS.

6 U A = 12V Ik [ ma] 0,8V I = U / R = 12 ma K A K 12 0,6V 10 0,4V 8 ZATĚŽOVACÍ P. +0,2V S D 6 Ug=0V 4-0,2V 2-0,4V -0,6V -0,6-0,4-0,2 0 +0,2 +0,4 +0,6 +0, Ug[V] Uk[V] Rovnice vnějšího obvodu podle metody smyčkových proudů pro U A =konst. tj. U A = 0: Rk ik + uk =0 (5.39) lineární aproximace kolektorové charakteristiky viz kapitola 3: ik = y. ug + y. uk (5.40) Dynamická strmost S d (je analogická dyn. proud. zesílení): ik y21 S d = = (5.41) u g 1+ y.rk 22 Napěťové zesílení: uk - RK. ik Au = = = - RK.S d (5.42) u g u g