FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 1 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 2. Uzemněné hradlo - závislost na změně parametrů

Transkript

1 Unipolární tranzistory Řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem: FET [Field - Effect Transistor] Proud přenášen jedním typem nosičů náboje (unipolární): - majoritní nosiče v inverzním kanálu - neuplatňuje se rekombinace minoritních nosičů - odolnost proti změnám teploty a ionizujícímu záření - zapínací a vypínací doby dány parazitními kapacitami - teplotně nezávislé ton a toff Zesilovač s FET Zesílení: - maximální strmost převodní charakteristiky - režim B - pro saturační režim ( B ) je třeba velké napájecí napětí - menší strmost než u BT (5mS / 50 ms) i v režimu B Výpočet pracovního bodu (viz numerické cvičení): - průsečík přímky a paraboly - řešení kvadratické rovnice - dvě řešení; vybereme správné Grafické řešení: - dostačující přesnost - názornější FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 1 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 2 FET - nastavení pracovního bodu a) Dělič je nezbytný pro IGFET s indukovaným kanálem (U P >0). b) Pro J-FET a IGFET s trvalým kanálem menší závislost na U P. c) Úbytek napětí na odporu R S nahrazuje záporný zdroj pro U GS. Uzemněné hradlo - závislost na změně parametrů J-FET - nastavení pracovního bodu a) c) FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 4 J-FET - nastavení pracovního bodu tř. A,B,C J-FET - Teplotní závislost převodní charakteristiky FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 5 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 6 1

2 J-FET - Teplotní závislost převodní charakteristiky Při velkém I D proud I D s teplotou klesá. Při malém I D proud I D s teplotou roste. I D může být v širokém teplotním rozsahu konstantní. Strmost převodní charakteristiky s teplotou klesá: - pokles zesílení zesilovače s JFET - je možné paralelní řazení J-FET Vzrůst teploty Podobná závislost je i u MOSFET!!! pokles proudu pokles výkonové ztráty. U bipolárních tranzistorů proud s teplotou roste!!!! FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 7 Průrazy struktury MOS Průraz kanálu: - při velkém U DS - průraz kanálu lavinovou ionizací - u výkonových mechanické poškození pouzdra!!! Průraz dielektrické vrstvy pod hradlem: - tloušťka menší než 1 µm - statickou elektřinou při manipulaci - při překročení U GSmax - zkratovací pružinka mezi elektrodami - vícevývodové součástky v antistatickém obalu - do přívodů ochranné rezistory a Zenerovy diody FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 8 Využití tranzistrorů FET Integrované obvody: - lepší využití plochy čipu - méně technologických operací větší výtěžnost - výhodnější pro čislicové obvody, procesory, paměti - lineární používáním aktivní zátěže se zvětší zesílení - CMOS velmi malá spotřeba - J-FET slučitelné s bipolární technologií Diskrétní součástky: - spínače N-MOSFET - vf zesilovače (VMOS, MESFET, HEMT) - vf zesilovače, směšovače, modulátory (dvoubázový FET) - řízený odpor ( s vyvedeným substrátem) FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 9 Speciální typy FET Dvoubázové MOS [dual - gate MOS]: - dvě rovnocenná hradla - řízené zesilovače - modulátory - směšovače - chová se jako tetroda FET s vyvedeným substrátem: - FET symetrická součástka - substrát B (bulk) bývá spojen s elektrodou S - vyvedený B možnost nastavení potenciálu mezi S a D -výhodné pro zapojení řízeného odporu a spínače FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 10 MOS se dvěma hradly (double-gate FET) -maláprůchozí kapacita mezi bází a kolektorem. - kaskódové spojení dvou jednoduchých systémů MOSFET, - řízení prvním hradlem je v ochuzovaném režimu - multiplikativní směšovače a nízkošumové zesilovače - mezní kmitočet 1 GHz FET pro vf a mikrovlnnou techniku Krátký kanál + velká pohyblivost nosičů náboje. MESFET (MEtal Semiconductor FET): - hradlo = tenký (napařený) kovový pásek, L < 1 µm (!!!) - kontakt kov polovodič (Schottkyho přechod) - fmax až 10 GHz pro Si ; fmax >10 GHz pro GaAs - šumové vlastnosti při vf lepší než u bipolárních tranzistorů FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 11 HEMT (High Electron Mobility Transistor): - kanál je tvořen tenkou vrstvou "elektronového plynu" - pohyblivost elektronů větší než u tranzistorů MESFET - lepší frekvenční i šumové vlastnosti - větší strmost - menší technologická náročnost a nižší cena - výhodné pro vf aplikace FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 12 2

3 FET jako spínač IGFET - zvýšení vodivosti kanálu Vlastnosti spínače s FET: - majoritní nosiče (neuplatní se akumulace nosičů) - doba sepnutí/rozepnutí je určena (C GS + C GD ) a velikostí I G - I G 0,1 A 1A / 100 ns!!!!! - malý řídící příkon Velký odpor kanálu Kanál pouze v oblasti P (difúzí) MOSFET (VDMOS): - pro U GS = 0 je spínač rozepnutý (U P 4 5 V) - velké závěrné napětí ( V) - menší náchylnost k průrazu - pro malé U DSmax malý R DSON - P max 150W/TO220 (250W/TO247)!!!! pozor na R TH!!! LATERAL LATERAL DIFFUSED FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 1 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 14 IGFET - zvýšení vodivosti kanálu Diskrétní tranzistory výkonové vysokofrekvenční a spínací: - kanál je rozprostřen po celé ploše čipu Rozložení kanálu na ploše Obrazce se liší podle výrobce HEXFET (International Rectifier) VERTICAL DIFFUSED V- lept FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 15 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 16 Vliv odporu kanálu na vodivostní ztráty IRF 740 (pro síťové napětí): U DSmax = 400 V, I Dmax = 8 A, R DSON = 0,55 Ω U DSON = R DSON. I Dmax = 0,55 Ω. 8 A = 4,4 V P ON = U DSON. I Dmax = 4,4 V. 8 A = 5,2 W Tranzistor IGBT Struktura VDMOS Emitor BT Bipolární tranzistor : U CES = 1V P ON = U CES. I C = 1 V. 8 A = 8 W Problém: Vypnutí I B!! Tyristor možnost samovolného sepnutí!!! FET - menší dynamické ztráty, R DSON roste s U DSmax BT - menší vodivostní ztráty při napětí věším než cca 100 V Řešení Tranzistor IGBT FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 17 PNP bipolární tranzistor VDMOS řídí proud báze BT nemůže být v saturaci!!!! FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 18

4 Vypnutí tranzistoru IGBT Nosiče akumulované v přechodu BE nemohou být odvedeny: - proud I D po vypnutí neklesne na nulu - koncentrace akumulovaných nosičů se zmenšuje jen rekombinací -I D e se exponenciálně zmenšuje po dobu 0,1µs 1µs Zavedení rekombinačních center do báze: - zmenšení proudového zesilovacího činitele β -je zapotřebí větší proud I B - na VDMOS bude větší úbytek ( = větší vodivostní ztráty IGBT) Řešení : Tranzistory se vyrábí ve skupinách podle doporučeného f MAX. Typy tranzistorů IGBT Podle doporučeného f MAX - S (standard) ; f MAX khz, U DS 1,5 1,8 V (pro U DSMAX = 600V) - F (fast) ; f MAX 10 khz, U DS 1,8 2,0 V (pro U DSMAX = 600V) - U (ultrafast) ; f MAX > 10 khz, U DS 2,0 2,2 V (pro U DSMAX = 600V) Podle zapojení v obvodu - bez paralelní diody - s integrovanou paralelní diodou V ;(900V); 1,2kV; 1,7kV;,kV; 4.5kV; 6,5kV (!!) - 10A 2400A FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 19 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 20 C GD závislá na U DG ( U DD ) -před sepnutím se musí vybít - vybíjí se přes obvod hradla - náboj 10 1 nc C GS ( nf) - musí se nabít na U GS 12 V - náboj 10 1 nc U GS roste až po vybití C GD Vybíjení kapacity C GD U DS klesá Tranzistor převzal proud zátěže FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 21 Tranzistor se otevře až při prahovém napětí FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 22 Vstupní impedance tranzistorů FET Příklad: Orientační výpočet řídícího proudu Uvažujeme pouze nabíjení C GS 1nF (U DS 0) U GS = 12 V t = 100 ns Q t. I C= = G GS 9 GS. C IG = = = 0,12 A = 120mA 9 t Pro U DS >> 0 se I G zvětší podle velikosti U DS ( U DD ) I G (120 00) ma Výkonový tranzistor : (C GS + C GD ) F (100 pf) Pro f 10 MHz : 1 X C = 2πfC 1 1 = = 0, Ω , ,28.10 X C = FET: GS >1V I G 10 ma BT: BE <0,1V I B 100 ma Výkonové zesilovače: Pro f > 10 MHz jsou výhodnější bipolární tranzistory!!!!!!!!!!!!! FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 2 FEKT VUT v Brně ESO / P9 / J.Boušek 24 4

5 5