Střední odborné učiliště technické Frýdek-Místek SAMOSTATNÁ PRÁCE Z ELEKTRONIKY UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY Jméno: Luděk Bordovský Třída: NE1 Datum: Hodnocení:
1.1. Vlastnosti unipolární tranzistorů Jsou založeny na principu řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem, přičemž vedení proudu se uskutečňuje v tzv. Kanále jedním typem nosičů- většinovými elektrony nebo děrami. Užíváme pro ně zkratku FET. Vodivost tohoto tranzistoru je řízena dvojím způsobem: změnou průřezu vodivého kanálu rozšiřovaní přechodu PN nebo MS změnou koncentrace většinových nosičů v kanále. 1.2. Rozdíly mezi unipolárními a bipolárními tranzistory Protože proud v unipolárních tranzistorech je přenášen majoritními nosiči, jsou tyto prvky odolnější vůči změnám teploty a dopadajícímu ionizujícímu záření než bipolární tranzistory. Pro nepřítomnost menšinových nosičů jsou zapínací a vypínací doby unipolárních struktur dány především parazitními kapacitami, které musí být nabity a vybity při každém sepnutí a vypnutí. Tyto kapacity jsou teplotně nezávislé to je nevýhoda oproti bipolárním součástkám. Nesetkáváme se tedy u nich s jevy akumulace (hromaděním) menšinových nosičů a jejich postupnou rekombinací. 1.3. Rozděleni unipolární tranzistorů V současné době se unipolární tranzistory rozdělují do tří základních typů: tranzistory s přechodovým hradlem označované zkratkou JFET tranzistory s izolovaným hradlem označované IGFET tenkovrstvé tranzistory s izolovaným hradlem TFT, které v poslední době nacházejí uplatnění v plochých televizních obrazovkách. 1.3.1. Tranzistor s přechodovým hradlem JFET Obrázek níže ukazuje tranzistor typu JFET s kanálem N, a to jak typickou technologickou konstrukci, tak použití schematické značky u zapojení se společným emitorem, přičemž kružnice označuje pouzdro tranzistoru. Obr.1. Tranzistor typu JFET - s kanálem N (technologické provedení a schematická značka v zapojení se společným emitorem): K objasnění činnosti JFET využijeme obr.2. na kterém jsou znázorněny jeho typické charakteristiky a "idealizovaná" technologická stavba. Nechť jsou nejprve obě napětí UGS a
UDS rovna nule. Vzhledem ke stavbě součástky - ve směru od S k D - pak vzniknou na přechodech PN závěrné vrstvy, které při rovnoměrném dotování mají všude stejnou šířku. Protože jsou všechna napětí nulová, nemůže procházet proud. Stoupá-li napětí kolektoremitor v udané polaritě od hodnoty 0 V, vytvoří se v kanálu N od S k D proud elektronů, tj. v technickém smyslu vzniká proud (kolektorový proud ID) od D k S - který nejprve podle Ohmova zákona se sklonem odpovídajícím odporu kanálu N lineárně stoupá s UDS. Pak vzniká vlivem kolektorového proudu přes kanál N od D k S úbytek napětí, tj. D se stane kladným vzhledem k S. Protože S a G jsou na napětí 0 V, znamená to pro závěrné vrstvy - při pohledu ve směru od elektrody G - přírůstek závěrného napětí od S k D. Tím se budou závěrné vrstvy rozšiřovat od S k D. Pokud se dále bude zvětšovat proud ID, bude D s napětím UDS stále kladnější, čímž se závěrné vrstvy budou dále rozšiřovat. Tím tyto vrstvy stále více zasahují do kanálu N, uzavírají jej, až se při určité hodnotě UDS budou obě závěrné vrstvy dotýkat a dojde k úplnému uzavření kanálu. Pak již nemůže kolektorový proud růst, ačkoliv roste napětí UDS. Na obr je možné vidět tuto skutečnost: Proud ID bude omezen odporem zbylého kanálu a příslušným úbytkem napětí na tomto odporu. To, že elektrony mohou vůbec projít závěrnou vrstvou vzniklou před D, je zdůvodněno tím, že hradící účinky působí od kanálu N k hradlu (P), ale nevznikají od kanálu N ke kolektoru D, protože napětí mezi oblastmi "kanál N - přívod D" není pro elektrony závěrné, ale propustné napětí. Obr. 2. Charakteristika tranzistoru typu JFET s kanálem N a) ID = f(uds) Pro UGS = 0, b) znázornění chování závěrných vrstev pro různé hodnoty UDS (označeno 1, 2, 3 ve vztahu k průběhu charakteristiky a) Při uzavření kanálu se odchýlí dosud stoupající "odporová charakteristika" doprava (obr. a - 3) a probíhá pak přibližně vodorovně, tedy dále téměř rovnoběžně s osou UDS. Protože ID dále nestoupá, nazývá se tato oblast nasycená (oblast saturace). Jak je dále vidět na obr. 2. neprobíhá uzavření kanálu skokem, ale nastane plynulý přechod, tj. lineární část charakteristiky bude nejprve vlivem závěrných vrstev vnikajících do kanálu vystřídána nelineární charakteristikou, než konečně nastane nasycení. Oblast od nuly do
počátku saturace představuje průběh triodové charakteristiky. Dále vidíme, že charakteristika neprobíhá přesně vodorovně, ale do určité míry s UDS stoupá. To je způsobeno tím, že s rostoucím napětím UDS se stále rozšiřují závěrné vrstvy, tj. oblast velkého odporu před D stále více proniká do kanálu N. To znamená, že kanál N se zkracuje, má v důsledku toho menší odpor a kolektorový proud musí být odpovídajícím způsobem větší. Protože tato změna proudu je poměrně malá, má charakteristika ve směru rostoucího UDS jen nepatrné stoupání. V literatuře bývá tento jev nazýván modulace délky kanálu.bude-li se UDS dále zvyšovat, dojde při určité hodnotě k průrazu mezi hradlem a kolektorem (obr. a - 4). 1.3.2. Tranzistor s izolovaným hradlem IGFET U tranzistoru typu IGFET neprobíhá řízení prostřednictvím závěrné vrstvy, nýbrž pomocí izolační vrstvy. Ta je v mnoha případech tvořena vrstvou oxidu, a proto vznikl název MOSFET (metall-oxide-semiconduktor). U tranzistoru s izolovaným hradlem rozlišujeme ochuzovací typ (depletion type) a obohacovací typ (enhancement type). Použití křemíku jako základního materiálu v následujících příkladech vychází ze skutečnosti, že potřebné izolační vrstvy lze "relativně" snadno vyrobit ve formě oxidu křemičitého SiO2. Obr.3. Ochuzovací typ IGFET - s kanálem N (technologické uspořádání, schematická značka, výstupní a převodní charakteristiky pro zapojení se společným emitorem) Na Obr.3. je zobrazen ochuzovací typ IGFET, který je v praxi nejrozšířenější v provedení s kanálem N. Protože zde čtvrtá elektroda není jako u JFET přiřazována hradlu, ale většinou emitoru, kreslí se ve schematické značce odděleně a. označuje se obecně jako vývod substrátu (podložky).řídicí mechanismus tohoto IGFET je charakterizován tím, že do kanálu N neproniká jako u JFET závěrná vrstva, ale elektrické pole, které přes velmi tenkou izolační vrstvu (< 1 µm) spolu se závěrnou vrstvou protilehlé strany způsobí vznik kolena charakteristiky. K uzavírání
kanálu dochází takto: Zvětší-li se ID při konstantním UGS (např. UGS = 0), roste s ID také napěťový úbytek UDS. Protože je oproti kolektoru D kladný, působí jako závěrné napětí na přechod PN a jako záporné předpětí na hradlo G, protože hradlo je o tuto část napětí zápornější než D. Tím do kanálu N vniká ze strany přechodu PN závěrná vrstva a od hradla záporná oblast elektrického pole vytlačující elektrony, až konečně po spojení obou oblastí dojde k uzavření kanálu. Podobně jako u JFET stoupá tedy výstupní charakteristika nejprve lineárně s velkou strmostí a pak probíhá po uzavření kanálu s malým sklonem dále. Změní-li se nyní UGS na záporné, vypudí toto napětí další nosiče záporného náboje, takže uzavření kanálu nastane vlivem ochuzení kanálu z hlediska nosičů záporného náboje dříve, tj. při menším ID. Od právě uvedeného jevu ochuzování byl odvozen název "ochuzovací typ". Kladné hodnoty UGS působí přirozeně proti ochuzování, což znamená, že koleno charakteristiky se posune k vyšším hodnotám ID. 1.4. Zacházení s elektrostaticky citlivými součástkami Moderní polovodičové součástky, zejména vyrobené technologii MOS v diskrétní nebo integrované podobě, mohou být elektrostatickým napětím při dotyku nabitého povrchu zničeny. Takové součástky se nazývají elektrostaticky citlivé. Za napětí ohrožující funkci součástek považujeme ss napětí 50V, nebo efektivní hodnotu nad 35V. S těmito součástkami mají pracovat pouze oprávnění (proškolení) pracovníci ve vyhrazeném prostoru a předepsaném oděvu. Vyhrazený prostor je prostor, v němž je omezen vznik elektrostatického napětí pod hodnotu napětí ohrožujícího funkci součástek. Součástky mají být co nejdéle až do okamžiku montáže ponechány v původním elektrostatickém obalu výrobce či dodavatele. Vrchní oděv pracovníků má byt z elektrostaticky vodivých nebo alespoň s antistatických materiálů vyhovující látky jsou bavlněné a vlněné. Nesmějí obsahovat umělé vlákno! Na pracovišti se používá nábytek a podlahová krytina elektrostaticky vodivá, přičemž jsou všechny předměty připojené do společného referenčního bodu. Na elektroinstalaci jsou kladené důrazné požadavky, pájka nesmí být transformátorová! Kvůli udržení elektrostatického napětí blízkého k nule používají pracovníci elektrovodivý náramek s rezistorovou kombinací 100KΩ. 1.5. Struktury CCD Struktury CCD (charge coupled devies) jsou v podstatě složeny z tranzistorů MOS vyrobených na jednom substrátu a umístěných blízko sebe. Tato skutečnost jim dává jiné vlastnosti než ty, které jsou dosaženy u zapojení s diskrétními součástkami. Tyto struktury nemají zesilovací schopnosti, mohou pouze uchovávat v čase a přemístit v prostoru signál v podobě náboje do nich zavedeného. Přitom se jedná o stále stejné nosiče náboje. Ve všech ostatních existujících typech polovodičových prvků nastává v každém okamžiku zpracování informace záměna informačního náboje jiným nábojem dodávaným napájecím zdrojem. Charakteristickou zvláštností struktur CCD je možnost uchování náboje pohyblivých nosičů v tzv. Potenciálové jámě, lokalizované určitým způsobem v polovodiči pod kovovou elektrodou, oddělenou od polovodiče vrstvou dielektrika a přenosu tohoto informačního náboje do sousední hlubší potenciálové jámy. Pro všechny nábojově vázané struktury je typicky přenos informačního náboje v polovodiči posloupností potenciálových jam (vytvoří se tzv. ochuzená čili vyprázdněna oblast, která je schopná přijímat náboje).
Na takto vzniklou strukturu MOS se přiloží rostoucí napětí Ug tak, že kovová elektroda je vzhledem k polovodiči kladná. Za tohoto stavu bude stále větší počet děr odpuzován z oblasti polovodiče pod kovovou elektrodou, takže se zde vytvoří tzv. ochuzená oblast. Obr. 4. Znázornění přenosu náboje v polovodiči pomocí soustavy kovových elektrod izolovaných od polovodiče tenkou vrstvou dielektrika (SiO2)
Literatura [1] Bezděk M. : Elektronika I, učební texty pro střední školy [2] Internet : www.elektrika.cz [3] Internet : www.zesilovace.cz