Tranzystory polowe JFET, MOSFET

Transkrypt

1 Tranzystory polowe JFET, MOSFET Zbigniew Usarek, 2018 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Tranzystor polowy złączowy JFET

3 Zasada działania tranzystora JFET budowa jest dość prosta... Tranzystor polowy złączowy, JFET (Junction Field-Effect Transistor) składa się z warstwy półprzewodnika (na przykład typu n) oraz silnie domieszkowanej warstwy półprzewodnika przeciwnego typu. Wyprowadzone są trzy końcówki: dren (drain, D); źródło (source, S) oraz bramka (gate, G)

4 Zasada działania tranzystora JFET zasada działania również jest prosta... Wytworzenie się złącza p-n powoduje wnikanie w obszar kanału obszaru zubożonego. Zaporowa polaryzacja bramki spowoduje zwiększenie tego obszaru i zmniejszenie efektywnej jego szerokości - a zatem wzrost jego oporu. O przepływie prądu decydują tu nośniki większościowe.

5 Zasada działania tranzystora JFET W kanale tranzystora FET potencjał zmienia się wraz z położeniem. W zasadzie kanał możemy traktować jako rezystor przewodzący prąd o wartości IDS.

6 Zasada działania tranzystora FET Charakterystyka napięciowo-prądowa Załóżmy, że bramka jest zwarta ze źródłem (UGS=0). Przy niewielkich prądach płynących przez kanał szerokość warstw zubożonych jest praktycznie równa na całej jego długości. Charakterystyka prądowo-napięciowa jest w przybliżeniu liniowa.

7 Zasada działania tranzystora FET Charakterystyka napięciowo-prądowa W miarę wzrostu prądu zmienia się rozkład potencjału wzdłuż kanału i szerokość obszaru zubożonego wzrasta w stronę drenu. Ogranicza to efektywny przekrój kanału i charakterystyka odchyla się od linii prostej.

8 Zasada działania tranzystora FET Charakterystyka napięciowo-prądowa Dalszy wzrost napięcia drenu doprowadza w końcu do zetknięcia się obszarów zubożonych w sąsiedztwie drenu i zamknięcia (zaciśnięcia) kanału. W tych warunkach dalszy wzrost napięcia przestanie wywoływać wzrost prądu.

9 Zasada działania tranzystora FET Charakterystyka napięciowo-prądowa Przy ujemnej polaryzacji bramki następuje zwiększenie rezystancji kanału (mniejsza jest jego szerokość) i wcześniejsze zamknięcie kanału. Powyżej napięcia zamknięcia tranzystor jest wykorzystywany jako przyrząd wzmacniający (sterowany napięciem). Jego cechą charakterystyczną jest bardzo duża oporność wejściowa.

10 Zasada działania tranzystora FET Charakterystyka napięciowo-prądowa

11 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

12 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

13 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

14 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

15 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

16 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

17 Praktyczne parametry tranzystora FET (na przykładzie BF245)

18 Tranzystory polowe z izolowaną bramką IGFET, MOSFET

19 Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem dyfuzyjnym Obszar kanału (tutaj typu n) jest wytworzony poprzez dyfuzję domieszki w obszar p o dużej rezystywności. Metalowa bramka (G) jest oddzielona od kanału warstwą izolatora. Tego typu przyrząd działa na zasadzie zmiany koncentracji nośników w obszarze kanału poprzez zmiany napięcia przyłożonego do bramki

20 Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem dyfuzyjnym Przy doprowadzeniu do bramki dodatniego napięcia powoduje zwiększenie w obszarze kanału koncentracji nośników ujemnych (wzbogacenie), a więc wzrost jego przewodnictwa. Przyłożenie do bramki napięcia ujemnego spowoduje spadek koncentracji nośników w kanale (zubożenie), a co za tym idzie spadek jego przewodnictwa.

21 Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym Bardzo ciekawym przyrządem jest tranzystor MOS, w którym pomiędzy obszarami drenu i źródła nie ma dyfundowanego kanału. Po przyłożeniu do bramki napięcia dodatniego w jej pobliże są przyciągane nośniki ujemne.

22 Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym Po przyłożeniu do bramki napięcia dodatniego w jej pobliże są przyciągane nośniki ujemne. Gdy napięcie to jest odpowiednio duże zaczynają one przeważać nad dziurami. Tworzy się w ten sposób warstwa inwersyjna formująca przewodzący kanał pomiędzy obszarami źródła i drenu.

23 Symbole tranzystorów MOSFET normalnie włączone (zubożane) nmos (z kanałem typu n) pmos (z kanałem typu p) normalnie wyłączone (wzbogacane)

24 Charakterystyki tranzystorów MOSFET Tranzystory normalnie włączone (z kanałem dyfundowanym) mogą pracować z kanałem zarówno zubożanym (II) jak i wzbogacanym(i) Tranzystory normalnie wyłączone (z kanałem indukowanym) do przepływu prądu wymagają jego wzbogacenia

25 Dwubramkowy tranzystor MOSFET Dwubramkowy tranzystor MOSFET może być rozważany jako szeregowe połączenie dwóch tranzystorów, z których każdy wpływa na wartość prądu w kanale. Ich cechą charakterystyczną jest mała pojemność między bramką G1 a drenem, co predysponuje je do zastosowań wielkiej częstotliwości. Mogą być one wykorzystywane do mnożenia i mieszania sygnałów.

26 MOSFET jako tranzystor mocy Zalety MOSFET jako przełącznika w układach dużej mocy: Niewielka moc potrzebna do sterowania bramką; Krótki czas przełączania; Niewielka rezystancja. Kierunek przepływu prądu w tych tranzystorach jest najczęściej prostopadły do warstw wykonanych techniką planarną. Do ich najważniejszych parametrów należą: napięcie przebicia, rezystancja włączenia, napięcie progowe bramki, pojemności pasożytnicze. Nietypowe konstrukcje polowych tranzystorów mocy: VMOS UMOS TrenchMOS HEXFET VDMOS

27 Tranzystory mocy VMOS, UMOS, TrenchMOS Charakteryzują się specyficznym kształtem bramki. Obszar aktywny tranzystora wytwarza się przy wykorzystaniu procesu trawienia krzemu w różnych płaszczyznach krystalograficznych. - Przeznaczony do pracy z dużmi mocami - Najszybszy dostępny obecnie półprzewodnikowy element energoelektroniczny - Wysoka efektywność przy niskich napięciach sterujących - Duże napięcia pracy - W porównaniu do tradycyjnych MOS nieco wyższe koszty wytwarzania

28 Tranzystor mocy VDMOS (Vertical double-diffused MOS) Wytwarzany za pomocą stosunkowo prostej technologii, o niezłych właściwościach częstotliwościowych (do setek khz). - Przeznaczony do pracy z dużymi mocami - Najczęściej obecnie wytwarzany polowy tranzystor mocy - Wysoka efektywność przy niskich napięciach sterujących - Mała rezystancja przy przewodzeniu.

29 Tranzystor polowy MESFET (MEtal-Semiconductor FET) Do modulacji przewodności kanału wykorzystuje się w miejsce złącz p-n złacze metal-półprzewodnik. - Najczęściej wytwarza się je z arsenku galu - Pracują przy częstotliwościach mikrofalowych (nawet do 100 GHz) - Produkowane są również tranzystory dużej mocy z węgliku krzemu.

30 Tranzystor polowy HEMT (High-electron-mobility transistor) Jako kanał wykorzystywane jest złącze dwóch materiałów o różnych przerwach energetycznych (heterozłącze). Typowy materiał to GaAs z AlGaAs (większa ruchliwość nośników niż Si), chociaż stosuje się również inne; Zaprojektowany z myślą o zastosowaniach w zakresie częstotliwości mikrofalowych, pracuje przy częstotliwościach rzędu setek GHz (dużo większych niż konwencjonalne tranzystory).

31 Tranzystor polowy HEMT Podział HEMT ze względu na metodę wytwarzania: phemt (pseudomorphic HEMT) dopasowanie sieciowe materiałów tworzących heterozłącze realizowane przez osadzanie jednego z nich w formie bardzo cienkiej warstwy; mhemt (metamorphic HEMT) dopasowanie za pomocą warstwy buforowej, np. AlInAS o stopniowo zmieniającej się koncentracji.

32 Komórka pamięci MOSFET typu EPROM i EEPROM Tranzystory MOSFET z pływającą bramką (odizolowaną od reszty struktury) są wykorzystywane jako komórki pamięci nieulotnej. Zawartość pamięci EPROM jest kasowana ultrafioletem, natomiast pamięć EEPROM ma możliwość kasowania elektrycznego. Ładunek na pływającej bramce indukowany jest za pomocą bramki sterującej poprzez zjawisko tunelowania.

33 Komórka pamięci MOSFET typu EPROM i EEPROM Charakterystyczną cechą kości pamięci EPROM jest obecność kwarcowego okienka w obudowie umożliwiająca na ekspozycję na promieniowanie UV; Programowanie i kasowanie EEPROM - emisja polowa lub iniekcja gorących elektronów ;

34 Komórka pamięci MOSFET typu EPROM i EEPROM Odczyt pamięci pomiar prądu drenu przy ustalonym napięciu referencyjnym bramki kontrolnej; Ładunek zgromadzony w bramce pływającej powoduje zwiększenie napięcia progowego otwarcia kanału typu n tranzystora wzbogacanego.

35 Komórka pamięci MOSFET typu EPROM i EEPROM Wadą komórek pamięci ERPOM i EEPROM jest ograniczona trwałość, ograniczająca liczbę możliwych zapisów i kasowań (P/E). Degradacja zachodzi na skutek pułapkowania elektronów w obszarze izolatora oddzielającego pływającą bramkę; Regeneracja struktury izolatora poprzez jego krótkotrwałe wygrzewanie pozwala na zwiększenie ilości cykli P/E.

36 CMOS komplementarne tranzystory MOS Wytworzone w jednej strukturze półprzewodnika tranzystory MOS o obu rodzajach domieszkowania kanału to podstawa współczesnych technologii wytwarzania układów scalonych.

37 CMOS komplementarne tranzystory MOS W oparciu o sieć CMOS przeprowadzać można różne operacje logiczne. Jakie operacje realizują układy przedstawione na powyższych rysunkach?