Elektronika i energoelektronika

Transkrypt

1 Wydzia ł Elektrotechniki i Informatyki Politechnika Lubelska Elektronika i energoelektronika wyk ł ad 5 TRANZYSTOR BIPOLARNY (cz. 2) Lublin, kwiecie ń 2008

2 Tranzystor bipolarny 2 złącza p-n p n p tranzystory bipolarne (BJT, HBT) lepsze emitery promieniowania lepsze detektory promieniowania BJT = bipolar junction transistor HBT = heterojunction bipolar transistor

3 Uk ł ady po łą cze ń wspólny emiter OE emiter n + U CE U BE baza p WE OB WB OC kolektor n U EB U CB U EC U BC WC wspólna baza wspólny kolektor

4 Model wielkosygna ł owy tranzystora Tranzystor n-p-n w konfiguracji WE (a) i jego model wielkosygna ł owy (b).

5 Tranzystor dla zakresu w.cz. tranzystory ma ł ej mocy, których najwa ż niejszymi parametrami s ą : cz ę stotliwo ść graniczna, wzmocnienie i wspó ł czynnik szumów, tranzystory du ż ej mocy, których najwa ż niejszymi parametrami s ą : cz ę stotliwo ść graniczna, moc rozproszona i wzmocnienie mocy.

6 Cz ę stotliwo ść f T Pulsacja T jest odwrotno ś ci ą czasu przej ś cia sygna ł u od emitera do kolektora, na który sk ł adaj ą si ę : czas ł adowania warstwy zaporowej z łą cza E-B; czas przelotu no ś ników przez baz ę ; czas ł adowania warstwy zaporowej z łą cza B-C; czas przelotu no ś ników przez warstw ę z łą cza B-C

7 Wymagania tranzystora w.cz. Wymagania konstrukcyjne i technologiczne dla tranzystorów w.cz. ma ł ej mocy: ma ł e powierzchnie z łą czy; cienka baza, du ż y gradient koncentracji domieszek w bazie oraz dobór materia ł u o du ż ej warto ś ci wspó ł czynnika dyfuzji; ma ł a warto ść rezystancji szeregowej kolektora r cienka warstwa zaporowa z łą cza B-C. c ;

8 Bipolarny tranzystor mocy

9 Bipolarny tranzystor mocy

10 Bipolarny tranzystor mocy Budowa strukturalna bipolarnego tranzystora mocy

11 Bipolarny tranzystor mocy Zwi ę kszenie wspó ł czynnika

12 Dwa g ł ówne zastosowania tranzystorów: prze łą czanie i wzmacnianie Przełą cznik (Elektronika cyfrowa) Wzmacniacz (Elektronika analogowa) TRANZYSTOR TRANZYSTOR + V - + V - np. mikroprocesor, pami ęć np. czujnik, radio 12

13 Tranzystor - prze łą cznik Prze łą czanie tranzystora polega na przej ś ciu chwilowego punktu pracy tranzystora ze stanu zatkania do stanu nasycenia, lub w kierunku odwrotnym wzd ł u ż linii prostej pracy tranzystora. Prze łą czanie tranzystora mo ż na uzyska ć pod wp ł ywem skokowej zmiany sygna ł u steruj ą cego.

14 Obszary pracy tranzystora Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje si ę du ż ym wzmocnieniem pr ą dowym (kilkadziesi ą t-kilkuset). Stany nasycenia i zaporowy stosowane s ą w technice impulsowej, jak równie ż w uk ł adach cyfrowych. Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych, poniewa ż ze wzgl ę dów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje si ę wówczas gorszymi parametrami ni ż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem pr ą dowym.

15 Obszary pracy tranzystora 1 0

16 Praca dynamiczna U CC = I C R C - U BC + U BE

17 Efekty II rz ę du efekt modulacji szeroko ś ci bazy (efekt Early'ego) pojawienie si ę pola elektrycznego i sk ł adowej dryftowej pradu du ż e poziomy wstrzykiwania no ś ników w bazie

18

19

20

21 Wspó ł czynnik przesterowania K F (I C ) = I BS /I C /I C /I BF Im wi ę ksza jest warto ść pr ą du bazy, tym wi ę ksza jest g łę boko ść nasycenia tranzystora.

22 Czasy prze łą czania Pojemno ść w łą czona równolegle do oporno ś ci w obwodzie bazy jest przyczyn ą przesterowania tranzystora w stanach przej ś ciowych. Stosuj ą c tak zwan ą pojemno ść przyspieszaj ą c ą mo ż na znacznie zmniejszy ć czas narastania.

23 Czasy prze łą czania Zmniejszenie czasów przeci ą gania i opadania mo ż na uzyska ć prze łą czaj ą c tranzystor dwukierunkowymi zmianami napi ę cia generatora steruj ą cego.

24 Wydzia ł Elektrotechniki i Informatyki Politechnika Lubelska Elektronika i energoelektronika wyk ł ad 6 TRANZYSTOR POLOWY Lublin, kwiecie ń 2008

25 Tranzystor Trójko ń cówkowy pó ł przewodnikowy element elektroniczny, posiadaj ą cy zdolno ść wzmacniania sygna ł u elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "TRANSfer resistor", który oznacza element transformuj ą cy rezystancj ę.

26 Tranzystor unipolarny (polowy) Dzia ł anie jest oparte na transporcie TYLKO jednego rodzaju no ś ników (wi ę kszo ś ciowych) stad nazwa unipolarne. Sterowanie odbywa si ę za pomoc ą poprzecznego pola elektrycznego st ą d nazwa polowe. W literaturze ś wiatowej maj ą nazw ę FET (ang. Field Effect Transistor).

27 Podzia ł tranzystorów polowych Ze wzgl ę du na sposób odizolowania bramki od kana ł u. Tranzystory polowe JFET MISFET dielektryk JFET ang. Junction Field Effect Transistor MISFET ang. Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor

28 Obja ś nienia skrótów FET MESFET JEFT MOSFET MISFET IGFET CMOS PMOS NMOS HEMT MODFET HFET QW SQW 2DEG Field Effect Transistor MEtal-Semiconductor FET Junction FET Metal-Oxide-Semiconductor FET Metal-Insulator-Semiconductor FET Insulated Gate FET Complementary MOS P(channel) MOS N(channel) MOS High-Electron-Mobility-Transistor Modulation Doped FET Heterostructure FET Quantum Well Single Quantum Well 2 Dimmensional Electron - Gas

29 Dzia ł anie tych tranzystorów polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju no ś ników, czyli albo elektronów albo dziur. Sterowanie transportem tych no ś ników, odbywaj ą cym si ę w cz ęś ci tranzystora zwanej kana ł em, odbywa si ę za po ś rednictwem zmian pola elektrycznego przy ł o ż onego do elektrody zwanej bramk ą. Bramka jest odizolowana od kana ł u (MISFET), a wi ę c pomi ę dzy ni ą a pozosta ł ymi elektrodami tranzystora polowego, znajduj ą cymi si ę na obu ko ń cach kana ł u (zwanych ź ród ł em oraz drenem) wyst ę puje bardzo du ż a impedencja. Zasada dzia ł ania bramka źródło źródło bramka OFF ON zlew zlew

30 JFET Bramka izolowana od kana ł u za pomoc ą z łą cza spolaryzowanego w kierunku zaporowym. Pr ą d bramki pr ą d wsteczny z łą cza (bardzo ma ł y pa-na). Tranzystory JFET dzielimy na: PNFET ze z łą czem p-n MESFET ze z łą czem m-s Warstwa zaporowa bardzo p ł ytko wnika w obszar bramki (silne domieszkowanie) oraz g łę boko w obszar kana ł u.

31 JFET charakterystyka przej ś ciowa U DS =const (dodatnie, ale bliskie zeru); zwi ę kszamy U GS ma ł a warstwa zaporowa kana ł szeroki rezystancja kana ł u ma ł a pr ą d drenu du ż y U P napi ę cie odci ę cia kana ł u zetkni ę cie warstw zaporowych kana ł przestaje istnie ć rezystancja kana ł u bardzo du ż a (~G ) pr ą d drenu zerowy dalszy wzrost U GS mo ż e doprowadzi ć do przebicia z łą cza

32 U GS JFET charakterystyka wyj ś ciowa GS =0; zwi ę kszamy U DS przy ma ł ych napi ę ciach U tranzystor zachowuje sie prawie jak rezystor liniowy: DS przyrosty pr ą du s ą praktycznie proporcjonalne do przyrostów napie ć. wzrost U DS powoduje coraz silniejsze zaw ęż anie kana ł u => ro ś nie R kana ł u => przyrosty pr ą du s ą coraz mniejsze.

33 JFET charakterystyka wyj ś ciowa DS DSsat DS Dlaczego zetkni ę cie si ę warstw zaporowych nie powoduje I D = 0? DS D D WYNIK PRZECZY ZA Ł O Ż ENIU Opis zjawisk fizycznych do ść skomplikowany (Wies ł aw Marciniak Przyrz ą dy pó ł przewodnikowe i uk ł ady scalone )

34 Trazystory polowe z izolowan ą bramk ą Tranzystory MISFET (MOSFET) s ą zasadniczo elementami czterozaciskowymi (czwart ą ko ń cówk ą jest wyprowadzeniem pod ł o ż a). Bardzo cz ę sto w tranzystorach dyskretnych pod ł o ż e po łą czone jest ze ź ród ł em. Mechanizm dzia ł ania wszystkich tranzystorów MIS jest podobny i opiera si ę przede wszystkim na powstawaniu warstwy inwersyjnej przy powierzchni pó ł przewodnika pod warstwa dielektryka. Warstwa inwersyjna pe ł ni rol ę kana ł u w tranzystorach z kana ł em indukowanym lub funkcj ę warstwy zmniejszaj ą cej przekrój kana ł u w tranzystorach z kana ł em wbudowanym.

35 Struktura tranzystora MISFET Kolejne istotne zjawisko w tranzystorach MISFET to wzbogacanie i zubo ż anie kana ł u w swobodne no ś niki ł adunku elektrycznego. z kana ł em wbudowanym (zubo ż onym) z kana ł em indukowanym (wzbogacanym)

36 Tranzystory NMOS i PMOS n kanałowy p kanałowy +V G -V G +V D -V D n Krzem p n p Krzem n p + Włączany dodatnimi napięciami bramki i drenu Prąd wywołany jest dryftem ujemnych (negative) elektronów Włączany ujemnymi napięciami bramki i drenu Prąd wywołany jest dryftem dodatnich (positive) dziur

37 Kana ł indukowany typu N Dodatni potencja ł na bramce powoduje indukowanie sie ł adunków ujemnych (elektronów) w cienkiej warstwie pó ł przewodnika pod dielektrykiem: zwi ę ksza sie koncentracja elektronów w obszarze pó ł przewodnika typu p pod dielektrykiem w pasmowym modelu energetycznym jest to równoznaczne z wygieciem pasm do do ł u przy silnym wygi ę ciu pasm w pewnym obszarze pó ł przewodnika typu p poziom Fermiego jest bli ż ej pasma przewodnictwa ni ż pasma walencyjnego inwersja typu przewodnictwa warstwa inwersyjna typu n kana ł indukowany typu n Tranzystory JFET mog ą by ć tylko zubo ż ane.

38 MOSFET zasada dzia ł ania dielektryk bramkowy źródło (S) bramka (G) dren (D) n + n + obszar zubożony L S = source G = gate D = drain B = bulk podłoże p-si podłoże (B)

39 MOSFET zasada dzia ł ania G S D V S = V B = 0 U GS < U T U DS małe n + obszar zubożony n + L y=0 y=l podłoże p-si B

40 MOSFET zasada dzia ł ania warstwa inwersyjna (kana ł tranzystora) G S D V S = V B = 0 U GS > U T U DS małe n + n + obszar zubożony L y=0 y=l podłoże p-si B

41 Charakterystyki wyj ś ciowe - zakres liniowy 600 PR Ą D DRENU [ µa] U GS = 3 V U GS = 2.5 V U GS = 2 V U GS = 1 V 200 NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [mv]

42 MOSFET zasada dzia ł ania G S D n + n + V S = V B = 0 U GS > U T L y=0 y=l podłoże p-si U DS < U GS - U T B

43 MOSFET zasada dzia ł ania G S D n + n + L y=0 y=l V S = V B = 0 podłoże p-si U GS > U T U DS = U GS - U T = U DSsat B

44 MOSFET zasada dzia ł ania G S D n + n + L L y=0 y=l V S = V B = 0 podłoże p-si U GS > U T U DS > U GS - U T = U DSsat B

45 Charakterystyki wyj ś ciowe 4.0 PR Ą D DRENU [ma] ZAKRES NIENASYCENIA I D = I Dsat ZAKRES NASYCENIA NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

46 Charakterystyka przej ś ciowa U DS = 3.0 V PR Ą D DRENU [ma] Napi cie progowe ę U T = 0.71 V U DS = 1.0 V U DS = 0.5 V NAPIĘCIE BRAMKA-ŹRÓDŁO [V]

47 Napi ę cie progowe U T nachylenie = β 2 1/2 PR Ą D DRENU [(ma) ] napięcie progowe U T = 0.71 V β = W µ C eff ox L NAPIĘCIE BRAMKA-ŹRÓDŁO [V]

48 Charakterystyki przej ś ciowe

49 Modele zast ę pcze tranzystora MOS Wybór modelu wynika z jego konkretnego zastosowania i jest zazwyczaj kompromisem pomi ę dzy dok ł adno ś ci ą a z ł o ż ono ś ci ą modelu. Najdok ł adniejsze modele to modele numeryczne wymagaj ą ce rozwi ą zania równa ń transportu w pó ł przewodniku (MINIMOS, ATLAS, APSYS, AVANT!...) Inna klasa modeli przeznaczona jest do symulacji dzia ł ania uk ł adów scalonych zazwyczaj maj ą one charakter analityczny. Najpopularniejsze modele tego typu zaimplementowano w programie SPICE

50 Model a rzeczywistość 6.0E-3 5.0E-3 cs-05/1/(0.0;18.4)/e22_50x3; VBS=0 V; VGS=0,1,2,3,4,5 V ID [A] 4.0E-3 3.0E-3 2.0E-3 1.0E-3 0.0E VDS [V] Charakterystyki wyj ś ciowe tranzystora NMOS wytworzony w ITE o wymiarach kana ł u W/L = 50/3 µm