Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

Transkrypt

1 Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET r inż. Bogusław Boratyński Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska 2011

2 Literatura i źródła rysunków G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill R.F. Pierret, Semiconductor evice Fundamentals, Addison-Wesley Publ., B.G. Streetman, Solid State Electronic evices, Prentice-Hall, W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, A. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, B.G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT

3 Przyrządy wzmacniające FET Rozdział 4. Tranzystory polowe - unipolarne. Rodzaje tranzystorów FET JFET struktura, charakterystyki MOSFET struktura, charakterystyki Układy polaryzacji dla FETów Modele zastępcze m.cz., w.cz. Układ wzmacniacza FET G Bramka - ren S- Źródło Tr bipolar. C - Kolektor B - Baza E - Emiter FET - ren G - Bramka S - Źródło

4 Tranzystory polowe (unipolarne) Tranzystor polowy złączowy JFET polowy efekt pola elektrycznego Tranzystor polowy z izolowana bramką MOSFET Source źródło Gate bramka rain dren Tlenek bramkowy SiO 2 S G Al SiO 2 Tlenek izolacyjny p+ p+ Si typ - n B (Podłoże -"Bulk") kanał Podłoże (płytka Si) Kanał, tu kanał typu-p Zaporowo spolaryzowane złącze p-n bramka-kanał, tu: kanał typu-n Wspólna cecha charakterystyczna: bardzo duża rezystancja wej. R we (M) Rwe R wy Struktura MIS kondensatora C SiO2 (bramka-kanał) MIS metal - insulator - semiconductor lub MOS - metal-oxide (SiO 2 )-semiconductor czyli: metal-półprzewodnik-izolator (dwutlenek krzemu SiO 2 ) Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

5 JFET - struktura, symbol, polaryzacja Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu-n JFET Junction Field Effect Transistor (n-channel) Source Gate rain źródło bramka dren -- + polaryzacja drenu Struktura schematyczna i polaryzacja podłoże kanał Rwe R wy Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

6 JFET (MESFET) - struktura, symbol, polaryzacja Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu-n JFET Junction Field Effect Transistor (n-channel) Source Gate rain źródło bramka dren Wersja JFET ze złączem metal-pp. Tranzystor polowy z bramką Schottky go MESFET Metal Semiconductor FET (kanał typu- n) podłoże - niedomieszkowany (półizolacyjny) GaAs podłoże Kanał domieszkowany Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

7 JFET - charakterystyki I-U Tranzystor polowy złączowy z kanałem typu-n Charakterystyki: wyjściowa: I U S przejściowa: I U U parametr U S ustalona wartość I - zakres liniowy, II - zakres nasycenia [ma] I 6 I II U =0V U =-0,5V U =-1V U =-2V U S - ustalone U S -U U =const S I ~ (U ) 2 U p I I SS [ma] I I SS U 1 U U P napięcie odcięcia, (pinch-off) p [V] [V] Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

8 JFET polaryzacja i odcinanie kanału JFET z kanałem typu-n Kanał: Początkowo rezystor o stałym przekroju (U =const.) np..: U =0 Jeśli np. U S =5V następuje zaporowa polaryzacja złącza bramki Struktura schematyczna i polaryzacja Wraz ze wzrostem U S wzdłuż kanału, następuje odcinanie (pinch-off) kanału w pobliżu drenu Również, odcinanie kanału ze wzrostem U uniemożliwia przepływ prądu drenu U U P I 0 Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

9 MOSFET wzbogacany - polaryzacja, charakterystyki I-U MOSFET normalnie wyłączony (wzbogacany) ( dla U =0 brak prądu I ) Tlenek bramkowy SiO 2 S G Al SiO 2 Schemat i polaryzacja napięciowa MOSFET wzbogacany kanał-n E-MOSFET (Enhancement) I Tlenek izolacyjny n p+ + n + p+ G B U U S Kanał (typu-n) istnieje tylko po przyłożeniu napięcia do bramki (G) U > U T. Wówczas, może płynąć prąd I w kanale pomiędzy źródłem a drenem. I β 2 p Si typ - n U U 2 T B (Podłoże -"Bulk") β parametr materiałowy (C SiO2, μ - ruchliwość) U T napięcie progowe (odcięcia) [ma] Charakterystyki: wyjściowa I U S U parametr I U =10V U =9V U =7V U =6V U =UT przejściowa: I U U S - ustalone [V] U S [ma] S I U T 5 10 U =const S U [V]

10 MOSFET- zubożany, polaryzacja, charakterystyki I-U MOSFET normalnie załączony (zubożany) (dla U =0 I może płynąć) Tlenek bramkowy SiO 2 S G Al SiO 2 Schemat i polaryzacja napięciowa MOSFET zubożany kanał-n -MOSFET (epletion) I Tlenek izolacyjny n p+ + n + p+ G U B Kanał istnieje nawet bez napięcia przyłożonego do bramki (G) U =0 Prąd I może płynąć w kanale pomiędzy źródłem a drenem. Odcięcie kanału występuje dla napięcia U =U T p Si typ - n B (Podłoże -"Bulk") [ma] Charakterystyki: wyjściowa I U S U parametr I U =2V U =1V U =0V U =-1V U =-2V przejściowa: I U U S - parametr U S [ma] [V] S U S I U =const S U [V]

11 MOSFET- podsumowanie typu MOSFET normalnie załączony -MOSFET (dla U =0 I może płynąć) MOSFET normalnie wyłączony E-MOSFET ( dla U =0 brak prądu I ) I I G B U S G B U S U Kanał - p U Kanał - p S S I I Kanał - n G U B Kanał - n G B U S S U S U S

12 Model zastępczy dla małych sygnałów zmiennych Elementy modelu zastępczego dla JFET i MOSFET są podobne: źródło prądu sterowane napięciem, konduktancja drenu g d (g ds ) oraz pojemności bramkakanał m.cz. Parametry małosygnałowe transkonduktancja: g m = g 21 konduktancja wyjściowa: g d = g ds g g m ds di du d gs did du ds dla U dla const rezystancja wejściowa b. duża (1M) - obwód rozwarty na wejściu (R we ) S U const dla sygnału w.cz. dominują pojemności bramka-kanał: C gs, C gd w.cz. Wzmocnienie napięciowe układu: A g V m R g m v g źródło prądu wyjściowego sterowane napięciem wejściowym (g m - parametr wzmocnieniowy) gdzie: R - rezystor obciążenia w obwodzie drenu

13 Parametry katalogowe ane katalogowe typowych FETów : w.cz. mocy Typ BF245B IRF520 Technologia JFET MOSFET Rodzaj Kanał typu n zubożany Kanał typu n wzbogacany Parametry graniczne Napięcie dren-źródło Prąd drenu Napięcie bramka-źródło Moc strat U Smax I max U max P strmax 30V 25mA -30V 300mW 100V 9.2A 20V 60W Parametry charakterystyczne Napięcie odcięcia Napięcie progowe Prąd drenu przy U =0 Transkonduktancja Rezystancja w stanie włączenia U P U T I SS g m r dson 1,5...4,5V 6..15mA 5mA/V V 250A 5A/V 0,27

14 Układ polaryzacji wzmacniacza z MOSFETem Tranzystor MOSFET z kanałem wzbogacanym w układzie wzmacniacza WS (wspólne źródło): Układ z dzielnikiem napięciowym na wejściu (polaryzacja bramki): C S Charakterystyki wyjściowe: I U S dla U parametr, prosta pracy: U = R I + U S I = - U S /R +U /R punkt pracy Q: (I Q, U Q, U SQ ) Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza: A g R v m C S Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill