Elektronički Elementi i SklopoviSadržaj predavanja:

1. FET tranzistori

2. MOSFET tranzistori

Elektronički Elementi i Sklopovi• Slično kao i bipolarni tranzistor FET (Field Effect Tranzistor - tranzistor s efektom polja) je poluvodički uređaj s tri terminala (izvoda)

• Razlika između između FET tranzistora i bipolarnih tranzistora je u tome što se sa bipolarnim tranzistorom upravlja pomoću struje dok se sa FET tranzistorom upravlja putem napona.

• Kod bipolarnih tranzistora je struja kolektora 𝐼𝐶 funkcija struje baze 𝐼𝐵.

• Kod FET tranzistora struja drain elektrode 𝐼𝐷 je funkcija upravljačkog napona 𝑉𝐺𝑆

Elektronički Elementi i Sklopovi• Jedna od najvažnijih karakteristika FET tranzistora je visoka ulazna impedancija

• Ulazna impedancija FET tranzistora je oko 1 𝑀Ω što je daleko više od BJT tranzistora

• S druge strane BJT tranzistori imaju prilično veće naponsko pojačanje od FET tranzistora

• FET tranzistori su stabilniji od BJT tranzistora s obzirom na temperaturne varijacije

• FET tranzistori su manjih dimenzija od BJT tranzistora što ih čini pogodnim za dizajn integriranih krugova (IC)

Elektronički Elementi i SklopoviFET tranzistore dijelimo na slijedeće skupine:

• JFET - Junction Field Effect Transistor

- n - kanalni

- p - kanalni

• MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

- depletion type (FET osiromašenog tipa)

- enhanced type (FET obogaćenog tipa)

• MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFET je najviše rasprostranjen kod dizajna integriranih krugova (IC)

MESFET je poluvodički uređaj novijeg doba te koristi GaAs kao poluvodički materijal (zbog brzine rada tranzistora)

Elektronički Elementi i SklopoviKonstrukcija n-kanalnog JFET tranzistora:

Glavni dio konstrukcije čini materijal N-tipa koji formira kanal u sendviču između poluvodičkog materijala P-tipa.

Dva materijala P-tipa su povezani na elektrodu gate (G)

Gornja elektroda na slici se naziva gate (G) dok se donja elektroda naziva source (S).

P-N spojevi tvore osiromašeno područje slično kao kod tranzistora. To je područje bez slobodnih nosioca naboja.

Elektronički Elementi i SklopoviOperacija JFET tranzistora može se zamisliti slično kao i operacija slavine.

Zakretanjem slavine regulira se tijek vode kroz cijev. Voda teče iz izvora kroz cijev i otiče u odvod (sink).

JFET tranzistor je analogan protoku vode kroz slavinu. Povećavanjem napona između elektroda G (gate) i S (source) povećava se i protok struje.

Elektronički Elementi i SklopoviJFET tranzistor kada je 𝑉𝐺𝑆 = 0, 𝑉𝐷𝑆 > 0

Elektronički Elementi i SklopoviU ovom slučaju su elektrode G i S na istom potencijalu od 0V.

U trenutku kada primjenimo napon 𝑉𝐷𝐷 između elektroda D i S elektroni poteku prema drain terminalu (D) što rezultira strujom 𝐼𝐷 prema source terminalu (S).

U ovom slučaju je struja kroz drain terminal 𝐼𝐷 je jednaka struji kroz source terminal 𝐼𝑆 zbog toga što nije primjenjen napon 𝑉𝐺𝑆.

Elektronički Elementi i SklopoviTreba primjetiti da se osiromašeno područje širi prema D (drain) elektrodi.

Ovo proširenje se događa zbog toga što kanal ima odgovarajući otpor te kroz N-kanal imamo gradijent potencijala.

To znači da zaporni potencijal P-N spoja raste od elektrode S ka elektrodi D te zbog toga raste i širina osiromašenog područja.

Sličan efekt imamo i kod diode, širina osiromašenog područja raste sa naponom reverzne polarizacije.

Elektronički Elementi i SklopoviKako raste napon 𝑉𝐷𝑆 struja 𝐼𝐷 će rasti prema Ohmovom zakonu kao na slici:

Treba primjetiti da je za niže vrijednosti napona 𝑉𝐷𝑆 struja 𝐼𝐷 ima gotovo konstantnu ovisnost o naponu 𝑉𝐷𝑆, tj. otpor je gotovo konstantan.

Kako povećavamo napon 𝑉𝐷𝑆 tako se kanal sužava jer se povećava širina osiromašenog područja.

Zbog toga, kada napon 𝑉𝐷𝑆 dosegne vrijednost napona 𝑉𝑃 kanal se toliko suzi da sada otpor kanala jako raste sa naponom 𝑉𝐷𝑆.

Elektronički Elementi i SklopoviNapon 𝑉𝐷𝑆 kada se kanal toliko suzi da se osiromašena područja "dodiruju" označuje se sa 𝑉𝑃 (eng. pinch-off voltage)

Iako naziv pinch-off sugerira da je struja 𝐼𝐷 = 0 pri naponu 𝑉𝑃, to nije slučaj već tada struja 𝐼𝐷 poprima vrijednost struje saturacije, tj. 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆

Kako se napon 𝑉𝐷𝑆 povećava iznad vrijednosti 𝑉𝑃 tako se osiromašena područja počinju dodirivati cijelom dužinom kanala, međutim nivo struje 𝐼𝐷 ostaje konstantan.

Elektronički Elementi i SklopoviTo u suštini znači da ako je 𝑉𝐷𝑆 > 𝑉𝑃 onda JFET ima karakteristiku strujnog izvora:

Struja 𝐼𝐷𝑆𝑆 je ujedno i maksimalna struja draina (𝐼𝐷) koju JFET može dati.

Kao što je vidljivo iz slike, struja je fiksna na nivou 𝐼𝐷𝑆𝑆, ali napon 𝑉𝐷𝑆 ovisi o teretu spojenom na JFET tranzistor.

Elektronički Elementi i SklopoviJFET tranzistor kada je 𝑉𝐺𝑆 < 0

Napon 𝑉𝐺𝑆 je napon pomoću kojegupravljamo JFET tranzistorom.Slično kao što za BJT tranzistornivoi struje 𝐼𝐶 ovisi o naponu 𝑉𝐶𝐸za različite nivoe struje 𝐼𝐵, tako ikod JFET tranzistora struja 𝐼𝐷 ovisio naponu 𝑉𝐷𝑆 za različite nivoenapona 𝑉𝐺𝑆.

Treba primjetiti da su u aktivnompodručju naponi 𝑉𝐺𝑆 za n-kanalniJFET negativni.

Elektronički Elementi i SklopoviFizikalno gledajući kako se smanjuje napon 𝑉𝐺𝑆 (tj. kako postaje negativniji) to je potreban sve manji napon 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝑃 da bi tranzitor ušao u saturaciju.

Razlog tome je što je negativniji napon 𝑉𝐺𝑆, G elektroda postaje sve negativnija u odnosu na drain D te se povećava širina osiromašenog područja.

Kod p-kanalnog JFET tranzistora je fizikalna slika obrnuta, kako napon 𝑉𝐺𝑆 raste (postaje sve pozitivniji) treba sve manji napon 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝑃 da bi tranzitor ušao u saturaciju.

U data-sheetu proizvođača, pinch-off napon 𝑉𝑃 se najčešće označava sa 𝑉𝐺𝑆(𝑜𝑓𝑓).

Elektronički Elementi i SklopoviJedna od primjena JFET tranzistora u omskom području (području lijevo od saturacije) jest da služi kao naponski upravljani otpor.

U omskom području, struja 𝐼𝐷 je gotovo linearno ovisna o naponu 𝑉𝐷𝑆 te se otpor može uzeti da je konstantan.

Nagib krivulje u omskom području se može regulirati naponom 𝑉𝐺𝑆.

Otpor u omskom području se može aproksimirati pomoću jednadžbe:

(1) 𝑟𝑑 =𝑟0

1− Τ𝑉𝐺𝑆 𝑉𝑃2

gdje je 𝑟0 otpor kada je 𝑉𝐺𝑆 = 0 𝑉.

Elektronički Elementi i Sklopovip-kanalni JFET tranzistor

Konstrukcija p-kanalnog JFET tranzistora je identična konstrukciji n-kanalnog JFET tranzistora s tom razlikom što su materijali P i N tipa zamijenjeni.

Smijerovi struja 𝐼𝐷, 𝐼𝑆 i 𝐼𝐺 su obrnuti nego kod n-kanalnog JFET tranzistora.

Naponi 𝑉𝐷𝑆 i 𝑉𝐺𝑆 su također obrnutog polariteta nego kod n-kanalnog JFET tranzistora.

Elektronički Elementi i SklopoviKarakteristika p-kanalnog JFET tranzistora.

Za oba tipa JFET tranzistora (p-kanalni i n-kanalni) postoji i breakdown regija ako napon 𝑉𝐷𝑆 poraste iznad napona 𝑉𝐷𝑆𝑚𝑎𝑥

.

U breakdown regiji struja 𝐼𝐷 jest limitirana samo vanjskom električnom mrežom.

Elektronički Elementi i Sklopovisimboli JFET tranzistora

n-kanalni JFET p-kanalni JFET

Elektronički Elementi i SklopoviSažetak (JFET) tranzistori:

• Maksimalna struja 𝐼𝐷 kroz JFET tranzistor se označava kao struja 𝐼𝐷𝑆𝑆 i to je ona struja koja teče kroz tranzistor kada je 𝑉𝐺𝑆 = 0 te kada je 𝑉𝐷𝑆 ≥ 𝑉𝑃.

• Kada je iznos napona 𝑉𝐺𝑆 (modul) veći ili jednak od iznosa napona (modula) 𝑉𝑃 tada je struja 𝐼𝐷 = 0 𝐴

• Za sve napone 𝑉𝐺𝑆 koji su između napona 0V i napona 𝑉𝑃 struja 𝐼𝐷 će biti između 𝐼𝐷𝑆𝑆 i 0 𝐴

Elektronički Elementi i SklopoviPrijenosna karakteristika JFET tranzistora

Kod BJT tranzistora struja 𝐼𝐶 je funkcija struje baze 𝐼𝐵 te su ova dva parametra povezani putem strujnog pojačanja 𝛽:

(2) 𝐼𝐶 = 𝑓 𝐼𝐵 = 𝛽𝐼𝐵

Jednadžba (2) je linearna jednadžba, tj. 𝐼𝐶 linearno ovisi o struji 𝐼𝐵. Kod JFET-a imamo kvadratnu ovisnost struje 𝐼𝐷 o naponu 𝑉𝐺𝑆:

(3) 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆 1 −𝑉𝐺𝑆

𝑉𝑃

2

Jednadžba (3) naziva se još i Shocklyeva jednadžba. Iz jed. (3) je vidljivo da je ovisnost struje 𝐼𝐷 o naponu 𝑉𝐺𝑆 nelinearna.

Elektronički Elementi i SklopoviBitno je uočiti da:

1. 𝑉𝐺𝑆 = 0 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆

2. 𝑉𝐺𝑆 = −𝑉𝑃 𝐼𝐷 = 0

Elektronički Elementi i SklopoviUsporedba operacijskih parametrara za FET i JFET

Elektronički Elementi i SklopoviKonstrukcija n-kanalnog MOSFET tranzistora osiromašenog tipa

Konstrukcija n-kanalnog MOSFET tranzistora započinje sa substratom P-tipa. Substrat je temelj na kojemu se gradi MOSFET tranzistor.

Mnogi MOSFET tranzistori imaju još i dodatnu SS elektrodu koja je vezana substrat.

Terminali (S) i (D) su spojeni na materijal N-tipa koji je povezan kanalom N-tipa.

Gate elektroda je vezana na izolacijski sloj (SiO2). Za razliku od JFET tranzistora, ne postoji direktni spoj između gate (G) elektrode i kanala N-tipa. Ovaj sloj silicij dioksida (SiO2) bitno povećava ulaznu impedanciju MOSFET tranzistora!

Elektronički Elementi i SklopoviZbog visoke ulazne impedancije, za DC analizu može se uzeti da je 𝐼𝐺 = 0.

Naziv metal-oxide-semiconductor je očit iz konstrukcije MOSFET tranzistora: metal je za gate,source i drain elektrode, oxide dolazi iz SiO2 izolacijskog sloja te semiconductor dolazi od poluvodičkog materijala u koji se difundiraju primjese P i N tipa.

Zbog izolacijskog sloja između gate elektrode i poluvodičkog materijala (SiO2) MOSFET se ponekad naziva i insulated-gate FET tj. IGFET.

Elektronički Elementi i SklopoviMOSFET tranzistor kada je 𝑉𝐷𝑆 > 0

Na slici je n-kanalni MOSFET tranzistor osiromašenog tipa. Rezultirajuća struja je slična onoj kao i kod JFET tranzistora.

Slobodni nosioci (elektroni) u n-kanalu se pod uticajem napona 𝑉𝐷𝑆 gibaju od elektrode S (source) prema D (drain) elektrodi.

Elektronički Elementi i Sklopovi

Prijenosna karakteristika n-kanalnog MOSFET tranzistora

Elektronički Elementi i SklopoviAko na G (gate) elektrodu dovedemo negativni potencijal, taj. negativni potencijal gura elektrone prema substratu P-tipa.

Pod uticajem napona 𝑉𝐺𝑆 pojačava se rekombinacija parova elektron-šupljina što rezultira smanjenim brojem slobodnih nosioca u kanalu N-tipa.

Zbog toga se struja 𝐼𝐷 smanjuje sa povećanjem negativnog napona 𝑉𝐺𝑆.

Ako napon 𝑉𝐺𝑆 postane pozitivan tada prema gate (G) elektrodi putuju dodatni manjinski nosioci iz substrata P-tipa. Takve nosioce akcelerira električno polje te zbog sudara dolazi do stvaranja novih nosioca.

Elektronički Elementi i SklopoviPod ovim uvjetima, kada 𝑉𝐺𝑆 nastavlja rasti (tj. kada postaje sve pozitivniji) struja 𝐼𝐷 počinje eksponencijalno rasti. U ovom području rada, treba voditi računa o maksimalnoj struji 𝐼𝐷 koja može teći kroz MOSFET tranzistor bez posljedica po uređaj.

Kod n-kanalnog MOSFET-a ako je napon 𝑉𝐺𝑆 > 0 onda je tranzistor u obogaćenom području a kada je 𝑉𝐺𝑆 < 0 transistor je u osiromašenom području.

Struja koja teče kroz tranzistor se kao i kod JFET tranzistora može opisati Schocklyevom jednadžbom, tj. jednadžbom (3).

Elektronički Elementi i SklopoviKonstrukcija p-kanalnog MOSFET tranzistora osiromašenog tipa

Konstrukcija p-kanalnog MOSFET tranzistora je točnoobrnuta od n-kanalnog MOSFET tranzistora.

Za razliku od n-kanalnog MOSFET-a, kanal je P tip poluvodiča dok je substrat N-tip poluvodiča.

Napon 𝑉𝐷𝑆 je negativan za p-kanalni MOSFET.

Elektronički Elementi i Sklopovi

Prijenosna karakteristika p-kanalnog MOSFET tranzistora.

Elektronički Elementi i Sklopovi

Simboli n-kanalnog i p-kanalnog MOSFET tranzistora. Postoje izvedbe sa izdvojenom elektrodom substrata (4) terminala te bez elektrode substrata (3) terminala.

Elektronički Elementi i Sklopovi

Konstrukcija MOSFET tranzistora obogaćenog tipa je različita od JFET tranzistora i MOSFET tranzistora osiromašenog tipa.

Posljedica toga je da prijenosna karakteristika nije opisana Shocklyevom jednadžbom.

Također struja 𝐼𝐷 ne teče sve dok napon 𝑉𝐺𝑆 ne postigne točno određen nivo.

MOSFET tranzistor obogaćenog tipa