Budowa. Metoda wytwarzania

Transkrypt

1 Budowa Tranzystor JFET (zwany też PNFET) zbudowany jest z płytki z jednego typu półprzewodnika (p lub n), która stanowi tzw. kanał. Na jego końcach znajdują się styki źródła (ang. source - S) i drenu (ang. drain - D). Dookoła środkowej części kanału (lub po obu jego stronach) występuje bramka - obszar półprzewodnika przeciwnego typu - jeżeli kanał jest typu n, to bramka jest typu p, i odwrotnie - gdy kanał jest typu p, to bramka jest wykonana z półprzewodnika typu n. Powstałe złącze bramka-kanał polaryzuje się zawsze zaporowo. Dlatego tranzystor JFET wykazuje dużą rezystancję wejściową (rzędu GΩ - odpowiadającą rezystancji złącza p-n spolaryzowanego zaporowo. Na rysunkach pokazane są symbole graficzne tranzystorów polowych złączowych JFET. Zwrot strzałki na rysunku wskazuje kierunek przepływu prądu w przypadku, gdy bramka jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Metoda wytwarzania Wszystkie tranzystory JFET wytwarza się z półprzewodników monokrystalicznych. Sposób wykonania tranzystora z kanałem typu n jest następujący: na płytce podłoża wykonanej z krzemu typu p+ (dolna bramka) nanosi się warstwę epitaksjalną typu n (która stanowi kanał tranzystora) w warstwie epitaksjalnej metodą dyfuzji wytwarza się warstwę p+ (górna część bramki) wykonuje się kontakty metalowe do warstw p+ (styki omowe obu części bramki) na końcu wykonuje się styki do kanału typu n (kontakty źródła i drenu)

2 Zasada działania Przy małej wartości napięcia dren źródło (U DS 0) oraz przy braku polaryzacji bramki (U GS = 0) warstwa zaporowa złącza bramka kanał wnika na niewielką głębokość do obszarów kanału. Ponieważ obszar bramki jest o kilka rzędów wielkości silniej domieszkowany niż obszar kanału, warstwa zaporowa wnika o wiele głębiej do kanału niż do bramki. W przypadku przyłączania napięcia U DS pomiędzy drenem a źródłem popłynie prąd drenu I D, zależny liniowo od napięcia U DS. Prąd ten jest prądem nośników większościowych (elektronów w przypadku kanału typu n, dziur w kanale typu p). Gdy wzrasta napięcie U GS (polaryzacja zaporowa złącza bramka-kanał), warstwa zaporowa rośnie, kanał się zawęża. Rezystancja kanału rośnie, a wartość prądu drenu maleje. Przy dalszym wzroście napięcia nastąpi zetknięcie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału. Prąd drenu maleje do zera. Ten stan tranzystora nazywa się odcięciem (ang. pinch-off) lub zatkaniem. Wartość napięcia U GS przy której tranzystor wchodzi w ten stan, nazywa się napięciem odcięcia (ang. pinch-off voltage) lub zatkania i jest oznaczana przez U GS. Dalszy wzrost napięcia U GS nie wpływa na prąd drenu, a w skrajnym wypadku może doprowadzić do przebicia złącza bramka-kanał. W stanie zatkania tranzystor posiada bardzo dużą rezystancję między źródłem a drenem, rzędu gigaomów. Teoretycznie tranzystor polowy złączowy może też pracować przy napięciu U GS polaryzującym złącze bramka-kanał w kierunku przewodzenia, jeśli tylko to napięcie jest mniejsze od napięcia dyfuzyjnego dla złącza (ok. 0,7 V w tranzystorze krzemowym). Wówczas tranzystor ma małą rezystancję wejściową i w obwodzie bramka-źródło płynie dość duży prąd przewodzenia. Prąd drenu zachowuje stałą wartość, niezależnie od napięcia U DS. O tak działającym tranzystorze mówi się, że pracuje w obszarze nasycenia, gdzie prąd drenu nie zależy od napięcia dren-źródło, ale zależy od napięcia na bramce U GS.

3 Parametry pracy i charakterystyki Napięcie U DS, przy którym tranzystor przechodzi w stan nasycenia, oznacza się U DSSAT (ang. saturation - nasycenie). Zależy ono od napięcia na bramce - U GS. Dla U GS = 0 V napięcie saturacji jest równe napięciu odcięcia. Charakterystyka wyjściowa Charakterystyka wyjściowa tranzystora przedstawia graficznie zależność prądu drenu I D od napięcia dren-źródło U DS, przy stałym napięciu bramka-źródło U GS. Napięcie U GS = 0 odpowiada zwarciu bramki ze źródłem. Prąd drenu, który płynie przy bramce zwartej ze źródłem oznacza się symbolem I DSS. Pierwsza litera S oznacza nasycenie (ang. saturation), druga zwarcie (ang. shorted). W obszarze nasycenia, czyli dla płaskich części charakterystyk wyjściowych, prąd drenu można wyznaczyć z następującego wzoru: Dla danego tranzystora wartości I DSS i U P są stałe, więc prąd drenu zależy tylko od napięcia U GS. Ze wzoru wynika, że dla U GS równego napięciu odcięcia prąd drenu nie płynie, czyli I D = 0.

4 Charakterystyka przejściowa Charakterystyka przejściowa tranzystora JFET wyraża zależność prądu drenu I D od napięcia bramka-źródło U GS. Nachylenie stycznej do charakterystyki przejściowej stanowi wartość konduktancji przejściowej w danym punkcie. Obliczając ze wzoru na I D pochodną względem napięcia U GS można otrzymać wzór na zależność konduktancji przejściowej od napięcia U GS. Największa wartość nachylenia stycznej wystąpi dla U GS = 0. Wówczas Ze wzrostem napięcia U GS wartość konduktancji przejściowej maleje. Przy małych wartościach napięcia dren-źródło tranzystor może pełnić rolę rezystora o rezystancji zmienianej za pomocą napięcia U GS. Wartość dynamicznej rezystancji wyjściowej można obliczyć ze wzoru gdzie K jest stałą. Dla U GS = U P wartość rezystancji wyjściowej dąży do nieskończoności.

5 W stanie odcięcia tranzystora, przy zamkniętym kanale, płynie prąd upływu I D(OFF) rzędu nanoamperów. Ten sam rząd wielkości ma prąd bramki płynący przy zaporowej polaryzacji złącza bramka-kanał. Prąd ten, oznaczany I GSS, zależy wykładniczo od temperatury. Jego wzrost powoduje zmniejszanie się rezystancji wejściowej tranzystora pod wpływem temperatury. Wiele tranzystorów polowych może równie dobrze pracować w połączeniu normalnym, jak i inwersyjnym (źródło zamienione z drenem). Żadna z tych elektrod nie jest specjalnie wyróżniona. Pomiar charakterystyk Badanie charakterystyk tranzystora JFET przeprowadza się w układzie jak na rysunku: T - tranzystor JFET z kanałem typu n R1 - rezystor 57 kω R2 - rezystor 1 kω P1, P2 - potencjometry o nominalnej rezystancji 10 kω (służące jako dzielniki napięcia) Aby wyznaczyć charakterystykę wyjściową, należy ustalić napięcie U GS. Zwiększając napięcie U DS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu I D. Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie U GS. Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia źródło-dren tworzą charakterystykę wyjściową. Aby wyznaczyć charakterystykę przejściową, należy ustalić napięcie U DS. Zwiększając napięcie U GS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu I D. Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie U DS. Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia bramka-źródło tworzą charakterystykę przejściową.

6 Zastosowanie Tranzystory JFET są często wykorzystywane w konstrukcji wzmacniaczy sygnałów. Część wzmacniaczy operacyjnych działa również wykorzystując tranzystory JFET. Jednakże do tych celów można wykorzystywać różne typy tranzystorów, także bipolarne czy z izolowaną bramką (choć te rzadziej). Natomiast jako rezystor sterowany napięciem może być użyty tylko tranzystor polowy. Potencjometr sterowany napięciem W stanie nienasyconym tranzystor JFET może być wykorzystany jako potencjometr o wartości rezystancji regulowanej napięciem. Jest to możliwe dlatego, że dla niewielkich wartości napięcia U DS prąd I D jest praktycznie wprost proporcjonalny do napięcia U DS. Nachylenie charakterystyki wyjściowej jest zależne od napięcia na bramce U GS, a to znaczy, że konduktancją wyjściową tranzystora (a zatem rezystancją) można sterować za pomocą przykładania napięcia na bramkę. Takie zachowanie można jednak wykorzystywać tylko w niewielkim zakresie napięć dren-źródło. Aby rozszerzyć użyteczność takiego rozwiązania, stosuje się tzw. ujemne sprzężenie zwrotne. Polega ono na tym, że część napięcia U DS jest podana przy pomocy dzielnika napięciowego na bramkę tranzystora. Źródło prądowe ze sprzężeniem zwrotnym Układ źródła prądowego charakteryzuje się tym, że prąd I przezeń płynący jest względnie niezależny od napięcia U. W przykładowym układzie zmiana wartości rezystora R powoduje zmianę wielkości prądu. Działanie układu polega na zastosowaniu sprzężenia zwrotnego. Gdy układ zostanie podłączony do zasilania, w pierwszej chwili przez tranzystor nie płynie prąd. Zatem spadek napięcia na rezystorze będzie równy 0, jak również napięcie U GS będzie równe 0. Jednak zerowa wartość napięcia bramka-źródło umożliwia przepływ dużego prądu przez kanał tranzystora. W związku z tym prąd zacznie wzrastać i na rezystorze pojawi się spadek napięcia, zgodnie z prawem Ohma. Będzie on polaryzował bramkę ujemnie, co spowoduje zawężanie kanału. Ostatecznie układ wejdzie w stan równowagi.

7 Bibliografia: -