Základní elektronické prvky a jejich modely

Podobné dokumenty
FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 3 FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 4

Jednostupňové zesilovače

Otázka č. 3 - BEST Aktivní polovodičové součástky BJT, JFET, MOSFET, MESFET struktury, vlastnosti, aplikace Vypracovala Kristýna

TRANZISTORY TRANZISTORY. Bipolární tranzistory. Ing. M. Bešta

2. Pomocí Theveninova teorému zjednodušte zapojení na obrázku, vypočtěte hodnoty jeho prvků. U 1 =10 V, R 1 =1 kω, R 2 =2,2 kω.

Určení čtyřpólových parametrů tranzistorů z charakteristik a ze změn napětí a proudů

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

Měření na unipolárním tranzistoru

Základy elektrotechniky

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_16_Unipolární tranzistor Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl

Darlingtonovo zapojení

Tranzistory. tranzistor z agnl. slova transistor, tj. transfer resisitor. Bipolární NPN PNP Unipolární (řízené polem) JFET MOS FET

Zvyšování kvality výuky technických oborů

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Polovodičové prvky. V současných počítačových systémech jsou logické obvody realizovány polovodičovými prvky.

1 VA-charakteristiky tranzistorů JFET a MOSFET. Úloha č. 7

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela modelování

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

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Teoretick a elektrotechnika Prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. L eto 2017

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Zvyšování kvality výuky technických oborů

4. Vysvětlete mechanismus fotovodivosti. Jak závisí fotovodivost na dopadajícím světelném záření?

4. NELINEÁRNÍ NESETRVAČNÉ OBVODY

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, polovodiče

Interakce ve výuce základů elektrotechniky

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

Základní druhy tranzistorů řízených elektrickým polem: Technologie výroby: A) 1. : A) 2. : B) 1. :

Obrázek 1: Schematická značka polovodičové diody. Obrázek 2: Vlevo dioda zapojená v propustném směru, vpravo dioda zapojená v závěrném směru

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Projekt Pospolu. Polovodičové součástky tranzistory, tyristory, traiky. Pro obor M/01 Informační technologie

Elektronické obvody analýza a simulace

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_15_Bipolární tranzistor Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl

Bipolární tranzistory

17. Elektrický proud v polovodičích, užití polovodičových součástek

Unipolární tranzistory

SAMOSTATNÁ PRÁCE Z ELEKTRONIKY UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY

Klasifikace: bodů výborně bodů velmi dobře bodů dobře 0-49 bodů nevyhověl. Příklad testu je na následující straně.

1 U Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose v uvedeném grafu.

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřeným předmětem je v tomto případě nízkofrekvenční nevýkonový tranzistor KC 639. Mezní hodnoty jsou uvedeny v tabulce:

ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 1/14 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY

U01 = 30 V, U 02 = 15 V R 1 = R 4 = 5 Ω, R 2 = R 3 = 10 Ω

A8B32IES Úvod do elektronických systémů

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

1.1 Pokyny pro měření

+ U CC R C R B I C U BC I B U CE U BE I E R E I B + R B1 U C I - I B I U RB2 R B2

Charakteristiky tranzistoru MOSFET

Bipolární tranzistory

Zesilovač. Elektronický obvod zvyšující hodnotu napětí nebo proudu při zachování tvaru jeho průběhu. Princip zesilovače. Realizace zesilovačů

Řídicí obvody (budiče) MOSFET a IGBT. Rozdíly v buzení bipolárních a unipolárních součástek

ELEKTRONICKÉ PRVKY 7 Výkonové a spínací aplikace tranzistorů 7.1 Ztrátový výkon a chlazení součástky První a druhý průraz bipolárního

Bipolární tranzistory. Produkt: Zavádění cizojazyčné terminologie do výuky odborných předmětů a do laboratorních cvičení

Manuální, technická a elektrozručnost

Přednáška 3 - Obsah. 2 Parazitní body effect u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

1.3 Bipolární tranzistor

Spínače s tranzistory řízenými elektrickým polem. Používají součástky typu FET, IGBT resp. IGCT

PŘEDNÁŠKA 2 - OBSAH. Přednáška 2 - Obsah

FEKT VUT v Brně ESO / P7 / J.Boušek 1 FEKT VUT v Brně ESO / P7 / J.Boušek 2

Projekt Pospolu. Polovodičové součástky diody. Pro obor M/01 Informační technologie

Elektronické praktikum EPR1

Nalezněte pracovní bod fotodiody pracující ve fotovoltaickem režimu. Zadáno R = 100 kω, φ = 5mW/cm 2.

VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOS

Mějme obvod podle obrázku. Jaké napětí bude v bodech 1, 2, 3 (proti zemní svorce)? Jaké mezi uzly 1 a 2? Jaké mezi uzly 2 a 3?

Obrázek a/struktura atomů čistého polovodičeb/polovodič typu N

VLASTNOSTI POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK PRO VÝKONOVOU ELEKTRONIKU

Polovodičov. ové prvky. 4.přednáška

Neřízené polovodičové prvky

A8B32IES Úvod do elektronických systémů

Elektronika pro informační technologie (IEL)

Typ UCE0 (V) IC (A) PCmax (W)

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

Otázka č.4. Silnoproudé spínací polovodičové součástky tyristor, IGBT, GTO, triak struktury, vlastnosti, aplikace.

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY. Doc.Ing.Václav Vrána,CSc. 03/2008

Zadání semestrálních prácí z předmětu Elektronické obvody. Jednodušší zadání

Dioda - ideální. Polovodičové diody. nelineární dvojpól funguje jako jednocestný ventil (propouští proud pouze jedním směrem)

VY_32_INOVACE_06_III./2._Vodivost polovodičů

UNIPOLÁRNÍ TRANZISTOR

Elektronika pro informační technologie (IEL)

Bipolární tranzistor. Bipolární tranzistor - struktura. Princip práce tranzistoru. Princip práce tranzistoru. Zapojení SC.

Měření na bipolárním tranzistoru.

Elektřina a magnetizmus polovodiče

Punčochář, J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE V ANALOGOVÝCH SYSTÉMECH 1

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 1

Zesilovače. Ing. M. Bešta

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

UnipolÄrnÅ tranzistory JFET. DělenÅ unipolärnåch tranzistorů. (Junction Field Effect Tranzistor)

Polovodičové diody. Dělení polovodičových diod podle základního materiálu: Germaniové Křemíkové Galium-arsenid+Au

Řízené polovodičové součástky. Výkonová elektronika

Základy elektrotechniky

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Studium tranzistorového zesilovače

ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ MEII MĚŘENÍ NA AKTIVNÍCH SOUČÁSTKÁCH

Dioda jako usměrňovač

Transkript:

Kapitola 1 Základní elektronické prvky a jejich modely Tento dokument slouží POUZE pro studijní účely studentům ČVUT FEL. Uživatel (student) může dokument použít pouze pro svoje studijní potřeby. Distribuce a převod do tištěné podoby je povolen pouze se souhlasem autora! 13. října 2009 c Jiří Hospodka 1

Modely dělíme: podle rychlosti změn signálu na: Statické Dynamické podle velikosti signálu na: Lineární Nelineární 1.1. Polovodičová dioda Dioda je jedna ze základních elektronických součástek. Polovodičová dioda je tvořena přechodem PN, tj. technologicky vytvořeným rozhraním polovodiče typu N a P. Na obě oblasti jsou pak napařeny kovové elektrody pro vlastní elektrody diody. Oblast typu P se nazývá anoda, oblast N katoda. anoda i D u D D katoda Obrázek 1.1: Schématická značka diody a jejícho odporového modelu. u D D i D 2

anoda 5e 03 u D D i D u D D i D 4e 03 propustný směr katoda i D [A] 3e 03 2e 03 1e 03 komprimované měřítko napětí u D 100 80 60 40 20 0 zavěrný směr 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1e 08 2e 08 3e 08 4e 08 5e 08 6e 08 expandované měřítko proudu id u D [V] Obrázek 1.2: Voltampérová chrakteristika diody 3

1 NU T = q NkT ( ) i D = I S e u D NU T 1, (1.1) 40 pro křemíkovou diodu při pokojové teplotě, (1.2) kde I s je tzv. saturační proud (cca 10 15 až 10 10 A), q je náboj elektronu (1.6 10 19 C), T je teplota ve Ka N je emisní koeficient závislý na materiálu diody a technologii výroby (N =1až 2). Jak je patrné ze vztahu 1.1, saturační proud I S udává proud diodou v závěrném směru, který je přímo úměrný ploše přechodu. Zde je nutné upozornit na skutečnost, že reálné diody (zapouzdřené součástky) vykazují proudové svody, které nejsou oproti proudu I S nezanedbatelné a podílejí se tak na celkovém závěrném proudu diodou, který je obvykle v řádu 10 9 A. Dále je třeba uvést, že mimo uvedené teplotní závislosti napětí U T je teplotou výrazně ovlivňována i velikost saturačního proudu I S, který je mimo jiné úměrný třetí mocnině absolutní teploty, viz. např. [1]. 4

6 7 ln(i D ) 8 9 10 11 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 u D [V] Obrázek 1.3: Voltampérová chrakteristika diody v logaritmických souřadnicích 5

5 i D [ma] 4 3 2 T 1 >T 2 (T 1 T 2 =30 C) Δu D = 2 mv/k ΔT T 1 T 2 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 u D [V] Obrázek 1.4: Voltampérová chrakteristika diody pro různé teploty 6

R u d i D u n i D D u D D u D U D U N (a) Obrázek 1.5: model002 (b) Symbolika značení jednotlivých obvodových veličin je následující napětí na diodě u D se superpozicí střídavé složky u d na stejnosměrnou složku U D, udávající statickou polohu pracovního bodu. Obdobně je značen i proud diodou i D,platí: u D = U D + u d, i D = I D + i d. (1.3) 7

2 i D [ma] směrnice = 1 r d směrnice = 1 R i D1 I D i D2 P 0 i d t u D2 u D1 0 0.5 0.8 U D U D0 ud u D [V] u N2 U N u N1 un t t Obrázek 1.6: Linearizace chrakteristiky diody v pracovním bodě 8

r d U D r d (a) (b) Obrázek 1.7: Linearizovaný statický model diody pro malé změny obvodových veličin: (a) pro pomalé a (b) pro rychlé změny 1 = g d = i d = i D r d u d u D P0:(u D=U D)= I S ( e u D NU T 1 u D ) = 1 P0 NU T ( I S e U D nu T ).=. = 1. I D =40ID (1.4) NU T 9

i D1 2 i D1 i d i D [ma] I D P 0 t i D2 i D2 i d u D2 U D u D1 0 0.5 0.8 u D [V] ud t Obrázek 1.8: Nelinearní chování diody při velkém buzení 10

i D D C B C D u D Obrázek 1.9: Nelineární model diody s akumulačními prvky C JO C B = ( ) m, u D < 0, (1.5) 1+ ud U J C D = τ T i D, NU T i D > 0, (1.6) kde C JO je kapacita přechodu při nulovém napětí u D, U J je tzv. difuzní potenciál (pro křemík U J 0.6, 0.8 ) m je koeficient (grading coefficient) závislý na technologii výroby přechodu koncentracích obou polovodičů, m =1/3 až 1/2 a τ T je efektivní doba života menšinových nosičů náboje (průměrná průletová doba), viz. [1]. 11

r s r d C d r d C d (a) (b) Obrázek 1.10: Linearizovaný model diody s akumulačními prvky, (a) základní, (b) včetně sériového odporu 12

1.2. Bipolární tranzistor I C C n I B B p U CE U BE n E I E Obrázek 1.11: Struktura bipolárního tranzistoru npn a jeho pólování v aktivním režimu 13

C E u CB i B B i C u CE u EB i B B i E u EC u BE E i E u BC C i C (a) (b) Obrázek 1.12: Schématický symbol tranzistoru typu (a) NPN a (b) PNP a označení kladných směrů obvodových veličin pro aktivní oblast 14

i B B u BE C E i C u CE i B i E u EB E u B EC C i E i C (a) (b) Obrázek 1.13: Zapojení pro polarizaci bipolárních tranzistorů (a) NPN a (b) PNP tranzistoru v aktivní oblasti 15

převodní charakteristiky výstupní charakteristiky 8V 6V 4V u CE saturační oblast 3 2.5 2 i C [ma] 1.5 aktivní oblast i B =10μA 8μ A 6μ A 4μ A 1 0.5 2μ A 1e-05 8e-06 6e-06 4e-06 2e-06 i B [A] 0 0 0.1 2 4 6 8 10 u CE [V] 0.2 0.3 0.4 u BE [V] u CE =0V u CE > 0.5 V vstupní charakteristiky 0.5 0.6 0.7 Obrázek 1.14: Charakteristiky bipolárního tranzistoru 16

300 250 u CE 5 V u CE =2V β F 200 150 100 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 i C [ma] Obrázek 1.15: Proudový zesilovací činitel bipolárního tranzistoru v závislosti na kolektorovém proudu 17

i C C i E E B i B α F i E u CE B i B u EB u EC u BE i E α N i E E i C C (a) model NPN (b) model PNP Obrázek 1.16: Ebers-Mollův nelineární statický model bipolárního tranzistoru pro aktivní režim. 18

( ) i C = I S e u BE N F U T 1, (1.7) i E = i C α F = I S α F ( i B = i E i C = ) N F U T 1, (1.8) ) i C = i C = I ) S (e u BE N F U T 1, (1.9) β F β e u BE ( 1 α F 1 kde I S /α F je zpětný saturační proud emitorového přechodu (cca 10 12 až 10 15 ), N F je emisní koeficient pro aktivní režim (forward) α F je proudový zesilovací činitel nakrátko pro zapojení se společnou bází opět v aktivním režimu 1 a činitel α F 1= 1 β F je převrácená hodnota tzv. proudového zesilovacího činitele β F pro zapojení se polečným emitorem, tj. i C = βi B. (1.10) Lze také jednoduše najít vztahy mezi tímto činitelem a činitelem α F. β F = α F, resp. α F = β F 1 α F 1+β F (1.11) Pozn.: Pro standardní nízkovýkonové typy bipolárních tranzistorů bývá činitel β F vrozsahu 100 až 400, tj. α F v rozsahu 0,99 až 0,997, pro výkonové typy mívá činitel β F velikost cca 30 až 70. 19

B ( ) IS β F i B u BE i C β F i B C u CE E ( ) IS β F i B B u EB i E β F i B i C E u EC C (a) model NPN (b) model PNP Obrázek 1.17: Obecný nelineární statický model bipolárního tranzistoru pro aktivní režim. Rovnice (1.7) až (1.9) popisovaly vztahy mezi obvodovými veličinami NPN tranzistoru. Relace pro tranzistor PNP budou samozřejně stejné, je však nutné vzít v úvahu opačnou polarizaci mezielektrodových napětí, jak udává obrázek 1.12 (b). Pak např. rovnice (1.7) přejde na tvar (1.12) a podobně se upraví i zbývající. ( ) i C = I S e u EB N F U T 1. (1.12) 20

i C C B i B α F i F i R u BC u CE u BE i F α R i R Obrázek 1.18: Celkový Ebers-Mollův nelineární statický model bipolárního tranzistoru i E E 21

6 5 4 i C [ma] 3 i B 2 1 U A 0 10 20 30 40 50 60 u CE [V] Obrázek 1.19: Demonstrace Earlyho jevu u bipolárního tranzistoru i C = I s ( e u BE n F U T 1) ( 1+ u CE U A i C = I s ( e u EB n F U T 1) ( 1+ u EC U A ) ) pro NPN tranzistor, (1.13) pro PNP tranzistor. (1.14) 22

B i B u BE α F i F i F i C i 0 R o i E C u CE E B i B u BE i C C β F i B R o u CE (a) (b) Obrázek 1.20: Nelineární statické modely bipolárního NPN tranzistoru pro aktivní režim s uvažováním výstupního odporu. E 23

Oblast saturace I C U BC U CE R C I B U BE U N Obrázek 1.21: Zapojení tranzistoru pro dosažení oblasti saturace. Je-li i B β F >i c, napětí u BC změní svoji polaritu (+0.5 V) saturace. 24

B I B I Csat C E 0, 7 V 0, 1 V 0, 7 V 0, 1 V E (a) tranzistor NPN B I B I Csat (b) tranzistor PNP C Obrázek 1.22: Zjednodušené modely bipolárních tranzistorů pro oblast saturace. 25

1.2.1. Linearizace Ebers-Mollova modelu i C i B u CE R C u be U BE u BE i E U N Obrázek 1.23: Zapojení NPN tranzistoru pro demonsraci linearizace jeho charakteristik v pracovním bodě. Symbolika značení je obdobná jako u diody, platí: u BE = U BE + u be, u CE = U CE + u ce, (1.15) i B = I B + i b, i C = I C + i c, atd. (1.16) 26

0 3.5 i B =10μ A u CE =6V směrnice = β 3 2.5 i C [ma] 2 směrnice =1/R C 8μ A 6μ A i c t P 0 1.5 1 0.5 I C P 0 4μ A 2μ A 1e-05 8e-06 6e-06 4e-06 2e-06 ib [A] I B 0 2 4 6 8 10 u 0.1 CE [V] U CE U N t 0.2 uce ib 0.3 u BE [V] 0.4 0.5 t t ube P 0 u CE =6V směrnice = g be =1/r π 0.6 U BE 0.7 Obrázek 1.24: Linearizace charakteristik bipolárního tranzistoru 27

3.5 3 2.5 u CE =6V směrnice = g m i C [ma] 2 i C1 1.5 I C 1 i C2 0.5 0 P 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 u BE [V] ube i c U BE t t Obrázek 1.25: Linearizace převodní charakteristiky bipolárního tranzistoru g m = i c u be = i C u BE P0: (u BE=U BE) = i C u BE = I S e UBE N F U T. I C. = =40IC. P0 N F U T N F U T (1.17) 28

Pokud budeme dále předpokládat, že α F i β F jsou konstanty nezávislé na u BE, platí: 1 r π = g π = i b u be = i B u BE = ic βf P0 u BE = 1 P0 β což je vstupní vodivost tranzistoru pro střídavé veličiny. i C u BE = g m P0 β, (1.18) B i b i c C u be r π g m u be E Obrázek 1.26: Linearizovaný model tranzistoru PI model 29

i c C B i b αi e = g m u be u be r e Obrázek 1.27: Linearizovaný Ebers-Mollův model tranzistoru T model Využitím vztahu (1.8) a předpokladu nezávislosti parametru α F na napětí u BE, lze pro vodivost rezistoru r e odvodit: i e E 1 r e = g e = i e u be = i E u BE P0: (u BE=U BE)= I Sα e U BE n F U T n F U T. = I E n F U T. =40IE. (1.19) Jelikož pro střídavé veličiny platí i c = g m u be = αi e = βi b, (1.20) 30

můžeme v linearizovaných modelech na obrázcích 1.26 a 1.27 proudový zdroj řídit jak proudem i e,resp.i b, tak napětím u be, přičemž ic = βi b = αi e = g m u be ajejich chování se nezmění. přičemž platí g m = i C u BE = α F i E = α i E = α (1.21) P0 P0 P0 r e u BE u BE r π = β g m = βr e α = r e(1 + β) (1.22) β = α 1, resp. β +1= 1 α 1 α a α = β 1+β, (1.23) obdobně jako v (1.11). Linearizací jsme zároveň přešli od statických parametrů 1 α F a β F k paramerům střídavým, tj. diferenciálním α a β (pro malé změny obvodových veličin). 1 V pracovním bodě platí α F = I C IE,resp.β F = I C IB. 31

i e E r e u eb B i b i e E αi e = g m u eb i c C B u eb i b r pi g m u eb (a) (b) Obrázek 1.28: Linearizované odporové modely tranzistoru PNP, (a) T model, (b) Π model C 32

i c C α n i e B i b i b i c r 0 u ce B C u be r e i e u be r π g m u be r 0 u ce E E (a) (b) Obrázek 1.29: Linearizované odporové modely tranzistoru NPN včetně výstupního odporu Vyjdeme-li ze vztahu (1.13), lze pro r 0 psát: 1 = g 0 = i C r 0 = I C (1.24) P0 U A u CE 33

C B α n i E C CB C be = τ F g m. = g m 2πf t (1.25) i E C BE C cb = C P0 C 0C BC = (1 + (U C0 U B0 )/U 0C ) mc (1.26) E Obrázek 1.30: Nelineární model bipolárního tranzistoru s akumulačními prvky B R B B C π C μ r π g m u be r 0 C Obrázek 1.31: Linearizovaný model bipolárního tranzistoru pro vyšší kmitočty E 34

1.3. tranzistory řízené elektrickým polem JFET a MOSFET 1.3.1. Funkce tranzistoru JFET D I D I G =0 G p n p G U DS U GS S I S = I D Obrázek 1.32: Struktura unipolárního přechodového tranzistoru JFET s kanálem typu N při malém napětí U GS 35

i D D I G =0 G p n p G u DS U GS S i S = i D Obrázek 1.33: Struktura unipolárního přechodového tranzistoru JFET s kanálem typu N 36

u DG i G G u GS D i D i S u DS i G u SG u GD i S u SD i G =0 S i G =0 D (a) (b) Obrázek 1.34: Schématické značky tranzistoru JFET a orientace obvodových veličin pro (a) N-kanál a (b) pro P-kanál. G S i D 37

i D u GS i G =0 G D S i S = i D u DS usd G S u SG i S i G =0 i D = i S D (a) kanál N (b) kanál P Obrázek 1.35: Polarizace tranzistorů JFET pomocí napěťových zdrojů. 38

12 12 u DS =2,4,10V 10 10 I DSS 10 V 2V 8 6 i D [ma] 8 6 u DS = 5 V 4 4 2 2 U TO 3 2.5 2 1.5 1 0.5 u GS [V] 0 0 U TO 0.5 1 1.5 2 2.5 3 u GS [V] = u SG [V] (a) kanál N (b) kanál P Obrázek 1.36: Převodní charakteristiky unipolarního tranzistoru typu JFET. 39

12 vodivostní oblast saturační oblast u GS =0V 10 u DS = u GS U TO 8 0.5 V i D [ma] 6 4 1 V 2 0 1.5 V 2 V 2 4 6 8 10 u DS [V] Obrázek 1.37: Výstupní charakteristiky unipolarního tranzistoru typu JFET 40

U tranzistoru řízeného polem rozlišujeme tři základní pracovní oblasti: { u GS U TO pro kanál N, 1. tranzistor uzavřený: i D =0pro u GS U TO pro kanál P, 2. vodivostní oblast, kde: { pro kanál N je U TO u GS 0 a 0 u DS u GS U TO, pro kanál P je U TO u GS 0 a 0 u DS u GS U TO a { pro kanál N je U TO u GS 0 a u DS u GS U TO, 3. saturační oblast, kde: pro kanál P je U TO u GS 0 a u DS u GS U TO. ( i D = I DSS 1 u ) 2 GS = I DSS U TO UTO 2 (U TO u GS ) 2 = K β (u GS U TO ) 2 (1.27) kde I DSS je proud drainu při nulovém řídícím napětí u GS =0, U TO je prahové napětí (u GS ), kdy se začíná otevírat, resp. zavírat kanál a K β = IDSS [A/V 2 ] je vodivostní (transkonduktanční) parametr tranzistoru. UTO 2 i D = K β (u GS U TO ) 2 (1 + λu DS ) (1.28) kde λ 1 = U A je analogická veličina k Earlyho napětí bipolárního tranzistoru. Naopak pro proud drainem ve vodivostní oblasti platí: i D = K β ( 2(uGS U TO )u DS u 2 DS). (1.29) 41

1.3.2. Funkce tranzistoru MOSFET W Source (S) kov Gate (G) SiO 2 Drain (D) n + L p n + Substrát (Body - B) Obrázek 1.38: Struktura unipolárního tranzistoru MOSFET s kanálem typu N 42

I G =0 i D S G D n + n + u DS =0 uds >UGS UTO U GS i S = i D u DS = U GS U TO p substrát B u DS Obrázek 1.39: Struktura unipolárního tranzistoru MOSFET s kanálem typu N 43

u DG i G G u GS i G =0 D S i D i S u DS G i G u SG u GD i G =0 S D i S u SD (a) (b) (c) (d) Obrázek 1.40: Schématické značky tranzistoru MOSFET a orientace obvodových veličin pro (a) indukovaný a (b) zabudovaný N-kanál, (c) a (d) pro P-kanál. i D 44

i D u GS i G =0 G D S i S = i D u DS usd G S u SG i S i G =0 i D = i S D (a) kanál N (b) kanál P Obrázek 1.41: Polarizace tranzistorů MOSFET pomocí napěťových zdrojů. 45

p-kalál obohacovaný p-kalál n-kalál ochuzovaný ochuzovaný n-kalál obohacovaný i D 0 UTOU n p+ U n+ u GS [V] TO TOU p TO Obrázek 1.42: Převodní charakteristiky tranzistorů MOSFET 46

převodní charakteristika výstupní charakteristiky 4 u DS =5V 3 i D [ma] 2 vodivostní oblast saturační oblast u GS =2.5 V 2.4 V 2.3 V 1 2.2 V 2.1 V U TO 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 u GS [V] 0 2 4 6 8 10 u DS [V] Obrázek 1.43: Charakteristiky unipolarniho tranzistoru MOSFET 47

Pro proud drainem v saturační oblasti lze odvodit: i D = 1 2 K W P L (u GS U TO ) 2 (1.30) kde K P [A/V 2 ] je vodivostní (transkonduktanční) parametr tranzistoru, W je šířka a L je délka kanálu viz. obázek 1.38 a U TO je prahové napětí napětí u GS, kdy se začíná otevírat, resp. zavírat kanál. Vodivostní parametr je dán následující rovnicí K P = μc ox (1.31) kde μ [m 2 /V s] je pohyblivost volných nosičů náboje (elektronů pro N kanál μ n,děr pro P kanál μ p )a C ox [F/m 2 ] je měrná kapacita hradla (kapacita na jednotku plochy). Sklon výstupních charakteristik, resp. závislost proudu i D na napětí u DS lze modelovat stejně jako u tranzistoru JFET, platí i D = 1 2 K W P L (u GS U TO ) 2 (1 + λu DS ). (1.32) Lzeodvodit,žeparametrλ je nepřímo úměrný délce kanálu L. Pro proud drainem ve vodivostní oblasti lze odvodit následující vztah: i D = 1 2 K P W ( 2(uGS U TO )u DS u 2 ) DS. (1.33) L 48

1.4. Modelování tranzistorů FET G D S u GS i D = f(u GS ) u GS i D = f(u GS ) S G D (a) n-kanál (b) p-kanál Obrázek 1.44: Nelineární odporový model unipolárního tranzistoru pro jednoduché určení pracovního bodu. G D u GS i D R 0 u DS S i D = f(u GS ) Obrázek 1.45: Kompletní nelineární odporový model unipolárního tranzistoru 49

1.4.1. Linearizace i D u DS R D u gs U GS u GS U N Obrázek 1.46: Zapojení FET tranzistoru pro demonstraci linearizace jeho charakteristik v pracovním bodě 50

směrnice = g m 4 směrnice =1/R D u GS =2.5 V i d t u DS = U DS 3 P 0 i D [ma] 2 I C P 0 2.4 V 2.3 V 1 2.2 V 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 0 U GS u GS [V] ugs u DS [V] 2 4 6 8 10 U DS U N uds t t Obrázek 1.47: Linearizace charakteristik unipolarniho tranzistoru 51

G D S u gs g m u gs u sg g m u sg S G D (a) N-kanál (b) P-kanál Obrázek 1.48: Elementární linearizované modely Π unipolárního tranzistoru i d i g =0 G 1 g m D g m u gs u gs i s = i d 1 G g m i g =0 S u sg g m u sg i s = i d S i d D (a) N-kanál (b) P-kanál Obrázek 1.49: Elementární linearizované modely T unipolárního tranzistoru 52

V saturační oblasti platí pro proud i D vztah (1.30), resp. (1.27), převodní vodivost g m je pak dána: g m = i D u GS P0: (u GS=U GS)= W = K P L (U GS U TO )= 2 W KP I D pro MOSFET a (1.34) L =2K β (U GS U TO )=2 K β I D pro JFET. (1.35) V případě vodivostní oblasti vyjdeme ze vztahu (1.33), resp. (1.29). V tomto případě, kdy je hodnota napětí u DS malá (u DS <u GS U TO ) lze často zanedbat výraz u 2 DS oproti 2(u GS U TO )u DS,pakjeproud W i D K P L (u GS U TO )u DS, případně i D 2K β (u GS U TO )u DS (1.36) lineární funkcí napětí u DS či u GS, tj. tranzistor za těchto podmínek funguje jako odpor (mezi drainem a sourcem) řízený napětím (u GS ). Tento odpor pak určíme podle vztahu 1 r DS = g DS = i D u DS W = K P P0 L (U GS U TO ), případně 2K β (U GS U TO ) (1.37) 53

Pro saturační oblast odvodíme výstupní odpor podobně jako u bipolárního tranzistoru. Derivací vztahu (1.32), resp. (1.28) v pracovním bodě (u GS = U GS ) dostaneme 1 = g 0 = i D r 0 = I D λ (1.38) P0 u DS i g =0 G D G 1 u gs g m u gs r 0 S g m g m u gs u gs i d r 0 i s = i d D S (a) Π-model (b) T-model Obrázek 1.50: Linearizované odporové modely unipolárních tranzistorů včetně výstupního odporu 54

C gd G C gs u gs g m u gs r 0 D S Obrázek 1.51: Linearizovaný model unipolárního tranzistoru pro vyšší kmitočty 55

JFET obohacovaným n-kanál ochuzovaným obohacovaným p-kanál ochuzovaným JFET Symbol U TO <> 0 + + + 1 K 2 μc ox W L otevření tranzistoru I DSS U 2 p 1 2 μc ox W L u GS > 0 u GS > 0 u DS <> 0 + I DSS U 2 p vodivostní oblast saturační oblast r 0 u DS <u GS U TO u DS >u GS U TO i D = K ( ) 2(u GS U TO )u DS u 2 DS u DS u GS U TO u DS u GS U TO i D = K(u GS U TO ) 2 (1 + λu DS ) I D λ 56

Literatura [1] Sedra, A. S., Smith, K. C.: Microelectronic Circuits, 5th edition, Oxford University Press, Inc., New York 2004. ISBN 0-19-514-251-9. [2] Neamen, D. A.: Electronics Circuit Analysis and Design, Times Mirror Higher Education Group, Inc., Chicago: Irwin, 1996. ISBN 0-256-11919-8. [3] Boylestad, R. L., Nashelsky L.: Electronic Devices and Circuit Theory, 9th edition, Pearson Prentice Hall, New Jersey 2006. ISBN 0-13-118905-0. [4] Uhlíř,J., Neumann,P.:Elektronické obvody a funkční bloky 1 Vydavatelství ČVUT, Praha, 1998 [5] Uhlíř,J., Neumann,P.:Elektronické obvody a funkční bloky 2 Vydavatelství ČVUT, Praha, 2000 57