Elektronika i energoelektronika

Podobne dokumenty
Elektronika i energoelektronika

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

IV. TRANZYSTOR POLOWY

Strona 1

Koªo Naukowe Robotyków KoNaR. Plan prezentacji. Wst p Tranzystory JFET Tranzystory MOSFET jak to dziaªa? MOSFET jako przeª cznik mocy Podsumowanie

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Materiały używane w elektronice

10. Tranzystory polowe (unipolarne FET)

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Elektronika i energoelektronika

Tranzystory. bipolarne (NPN i PNP), polowe (MOSFET), fototranzystory

6. TRANZYSTORY UNIPOLARNE

Wzmacniacze. Rozdzia Wzmacniacz m.cz

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Wykład X TRANZYSTOR BIPOLARNY

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Temat i cel wykładu. Tranzystory

Budowa. Metoda wytwarzania

Ćwiczenie nr 7 Tranzystor polowy MOSFET

Tranzystory polowe JFET, MOSFET

Tranzystory. 1. Tranzystory bipolarne 2. Tranzystory unipolarne. unipolarne. bipolarny

Wprowadzenie do techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE

III. TRANZYSTOR BIPOLARNY

Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f T

TRANZYSTORY MOCY. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi tranzystorami i ich charakterystykami.

Wykład VIII TRANZYSTOR BIPOLARNY

LABORATORIUM FOTONIKI

Ćwiczenie - 3. Parametry i charakterystyki tranzystorów

PODSTAWOWE ELEMENTY ELEKTRONICZNE

LABORATORIUM Z PODSTAWOWYCH UKŁADÓW ELEKTRYCZNYCH

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych.

Tranzystory polowe. Klasyfikacja tranzystorów polowych

2. Przyk ad zadania do cz ci praktycznej egzaminu dla wybranych umiej tno ci z kwalifikacji E.20 Eksploatacja urz dze elektronicznych

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Urządzenia półprzewodnikowe

UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH

Elektronika i energoelektronika

INSTRUKCJA OBS UGI. Stabilizowane zasilacze pr du sta ego. modele: DF173003C DF173005C

Pierwszy tranzystor. Zasadę budowy tranzystora przedstawiono na rysunku: E emiter B baza C kolektor

Spis treêci. Wst p... 9 Wykaz skrótów stosowanych na rysunkach Wykaz wa niejszych oznaczeƒ... 12

Tester pilotów 315/433/868 MHz MHz

I B. EFEKT FOTOWOLTAICZNY. BATERIA SŁONECZNA

Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Tranzystory polowe. Podział. Tranzystor PNFET (JFET) Kanał N. Kanał P. Drain. Gate. Gate. Source. Tranzystor polowy (FET) Z izolowaną bramką (IGFET)

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 4 PRZETWORNIKI AC/CA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

TRANZYSTORY BIPOLARNE SMK WYKŁAD

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET

W książce tej przedstawiono:

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ

Tranzystory polowe MIS

ANALOGOWE UKŁADY SCALONE

Diody i tranzystory. - prostownicze, stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, elektroluminescencyjne, pojemnościowe (warikapy)

Ć W I C Z E N I E 5. Częstotliwość graniczna

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo fotowoltaiczne

Rozmaite dziwne i specjalne

Elementy cyfrowe i układy logiczne

LVI OLIMPIADA FIZYCZNA 2006/2007 Zawody II stopnia

Laboratorium elektroniki i miernictwa

Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

1.3 Budowa. Najwa niejsze cz ci sk adowe elektrozaworu to:

Część 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

Technologia BiCMOS Statystyka procesów produkcji

+ + Struktura cia³a sta³ego. Kryszta³y jonowe. Kryszta³y atomowe. struktura krystaliczna. struktura amorficzna

Elementy przełącznikowe

Lekcja 15. Temat: Prąd elektryczny w róŝnych środowiskach.

HiTiN Sp. z o. o. Przekaźnik kontroli temperatury RTT 4/2 DTR Katowice, ul. Szopienicka 62 C tel/fax.: + 48 (32)

Elementy elektroniczne Wykłady 7: Tranzystory polowe

Ćwiczenie 5. Zastosowanie tranzystorów bipolarnych cd. Wzmacniacze MOSFET

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

TRANZYSTORY - PORÓWNANIE WYKŁAD 15 SMK

Uniwersytet Pedagogiczny

Spis zawartości Lp. Str. Zastosowanie Budowa wzmacniacza RS485 Dane techniczne Schemat elektryczny

5. Tranzystor bipolarny

Akademickie Centrum Czystej Energii. Fotoogniwo

TRANZYSTORY MIS WYKŁAD 14 SMK Na pdstw. W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone

Organiczne tranzystory polowe. cz. I. Poprzednio. Złącze

1. Zarys właściwości półprzewodników 2. Zjawiska kontaktowe 3. Diody 4. Tranzystory bipolarne

OBWODY REZYSTANCYJNE NIELINIOWE

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Układy nieliniowe - przypomnienie

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

Ćwiczenie 22. Tranzystor i układy tranzystorowe

Instrukcja nr 5. Wzmacniacz różnicowy Stabilizator napięcia Tranzystor MOSFET

Ćwiczenie 17 Temat: Własności tranzystora JFET i MOSFET. Cel ćwiczenia

Programator pamięci EEPROM

Układy nieliniowe tranzystor bipolarny (n p n, p n p)

Diody, tranzystory, tyrystory. Materiały pomocnicze do zajęć.

Politechnika Białostocka

TECHNOLOGIA WYKONANIA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWOD- NIKOWYCH WYK. 16 SMK Na pdstw.: W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone,

I D I F. 1/r F I F2 I F1. 1/r DS (ON) U DS U F U F0 U F1 U F2 XLIII OLIMPIADA WIEDZY TECHNICZNEJ. Zawody II stopnia

Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Transkrypt:

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

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

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

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

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.

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

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 ;

Bipolarny tranzystor mocy

Bipolarny tranzystor mocy

Bipolarny tranzystor mocy Budowa strukturalna bipolarnego tranzystora mocy

Bipolarny tranzystor mocy Zwi ę kszenie wspó ł czynnika

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

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.

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.

Obszary pracy tranzystora 1 0

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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).

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

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

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

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.

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

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.

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 )

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.

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)

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

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.

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)

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

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

Charakterystyki wyj ś ciowe - zakres liniowy 600 PR Ą D DRENU [ µa] 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 U GS = 3 V U GS = 2.5 V U GS = 2 V U GS = 1 V 200 NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [mv]

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

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

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

Charakterystyki wyj ś ciowe 4.0 PR Ą D DRENU [ma] 3.0 2.0 1.0 ZAKRES NIENASYCENIA I D = I Dsat ZAKRES NASYCENIA 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

Charakterystyka przej ś ciowa 4.0 3.0 U DS = 3.0 V PR Ą D DRENU [ma] 2.0 1.0 Napi cie progowe ę U T = 0.71 V U DS = 1.0 V U DS = 0.5 V 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 NAPIĘCIE BRAMKA-ŹRÓDŁO [V]

Napi ę cie progowe U T 2.0 1.5 nachylenie = β 2 1/2 PR Ą D DRENU [(ma) ] 1.0 0.5 napięcie progowe U T = 0.71 V β = W µ C eff ox 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 L NAPIĘCIE BRAMKA-ŹRÓDŁO [V]

Charakterystyki przej ś ciowe

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

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+0 0 1 2 3 4 5 VDS [V] Charakterystyki wyj ś ciowe tranzystora NMOS wytworzony w ITE o wymiarach kana ł u W/L = 50/3 µm