4. Lauko tranzistoriai - VGTU tranzistoriai.pdf · Lauko tranzistoriai Lauko tranzistoriuose (angl....

ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009

VGTU EF ESK [email protected]

1

Lauko tranzistoriai

Lauko tranzistoriuose (angl. FET – field effect transistor) srovę kuria specialiai

sudaryto kanalo pagrindiniai krūvininkai. Kadangi srovę lemia vieno ženklo

krūvininkai, šie tranzistoriai dar vadinami vienpoliais tranzistoriais. Kanalo

laidumą ir juo tekančią srovę valdo statmenas srovės krypčiai elektrinis laukas.

Lauko tranzistoriaus n arba p kanalo (angl. – channel) gale sudaromi du

elektrodai. Elektrodas, per kurį į kanalą patenka pagrindiniai krūvininkai,

vadinamas ištaka (source). Elektrodas, per kurį pagrindiniai krūvininkai išteka,

vadinamas santaka (drain). Kanale tekančią srovę valdo trečiojo tranzistoriaus

elektrodo – užtūros (gate) – įtampa.

Pagal užtūros tipą lauko tranzistoriai skirstomi į lauko tranzistorius su

valdančiosiomis pn sandūromis (sandūrinius lauko tranzistorius) ir lauko

tranzistorius su izoliuotąja užtūra.



2

History

In 1926 Julius Edgar Lilienfeld applied for three patents. The first two, from 1926

and 1928, describe what we now call a field-effect transistor (FET) structure. The

first patent (J.E. Lilienfeld, Method and apparatus for controlling electric currents,

US Patent 1,745,175, application filed October 8, 1926, granted January 18,

1930) gives a MESFET or metal/semiconductor FET. The second patent (J.E.

Lilienfeld, Device for controlling electric current, US Patent 1,900,018 application

filed March 28, 1928, patented March 7, 1933) is derived from the first, and gives

a depletion mode MOSFET.

In 1960 Bell scientist John Atalla developed a new design (MOSFET) based on

William Shockley's original field-effect theories.

http://www.electro.patent-invent.com/electricity/inventions/fet.html#History



3

Lauko tranzistorių tipai

The FET is simpler in concept than the bipolar transistor and can be constructed from a

wide range of materials. The channel region of any FET is either doped to produce an N-

type semiconductor, giving an "N-channel" device, or with a P-type to give a "P-channel"

device. The doping determines the polarity of gate operation. The different types of field-

effect transistors can be distinguished by the method of insulation between channel and

gate:

The MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) utilizes an insulator

(typically SiO2).

The JFET (Junction Field-Effect Transistor) uses a p-n junction as the gate.

The MESFET (Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor) substitutes the p-n-junction

of the JFET with a Schottky barrier; used in GaAs and other III-V semiconductor

materials.

Using bandgap engineering in a ternary semiconductor like AlGaAs gives a HEMT (High

Electron Mobility Transistor), also called an HFET (heterostructure FET). The fully

depleted wide-band-gap material forms the isolation.

The MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor) uses a quantum well structure

formed by graded doping of the active region.

Among the more unusual body materials are amorphous silicon, polycrystalline silicon or

other amorphous semiconductors in thin-film transistors or organic field effect transistors

that are based on organic semiconductors and often apply organic gate insulators and

electrodes.



4

The FET is simpler in concept than the bipolar transistor and can be constructed from a

wide range of materials. The different types of field-effect transistors can be distinguished

by the method of isolation between channel and gate:

The MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) utilizes an isolator

(typically SiO2).

Power MOSFETs become less conductive with increasing temperature and can

therefore be thought of as n-channel devices by default. Silicon devices that use

electrons, rather than holes, as the majority carriers are slightly faster and can carry

more current than their P-type counterparts. The same is true in GaAs devices.

The JFET (Junction Field-Effect Transistor) uses a p-n junction as the gate.

The MESFET (Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor) substitutes the p-n-junction of

the JFET with a Schottky barrier; used in GaAs and other III-V semiconductor materials.

Using bandgap engineering in a ternary semiconductor like AlGaAs gives a HEMT (High

Electron Mobility Transistor), also named an HFET (heterostructure FET). The fully

depleted wide-band-gap material forms the isolation.

TFTs (thin-film transistor) use amorphous silicon, polycrystalline silicon or other amorphous

semiconductors as body material.

A subgroup of TFTs are organic field effect transistors that are based on organic

semiconductors and often apply organic gate insulators and electrodes.

The channel region of any FET is either doped to produce n-type semiconductor, giving an

"N-channel" device, or with p-type to give a "P-channel" device. The doping determines the

polarity of gate operation.

Lauko tranzistorių tipai



5

Lauko tranzistoriai

(FETs)

LT su valdančiosiomis

pn sandūromis –

sandūriniai LT

(JFETs)

LT su izoliuotąja užtūra

– MDP LT, MOP LT

(IG FETs, MISFETs,

MOSFETs)

LT su indukuotuoju

kanalu - praturtintosios

veikos LT

(E-MOSFETs)

LT su įterptuoju kanalu – nuskurdintosios-praturtintosios

veikos LT

(DE-MOSFETs)

Metalo-puslaidininkio

(MP) LT

(GAAS FETs,

MESFETs)Heterostruktūriniai LT –

didelio elektronų

judrumo LT

(HEMTs)



6

• Sandūriniai lauko tranzistoriai

• MOP tranzistoriai

• Lauko tranzistorių parametrai ir ekvivalentinės grandinės

• Lauko tranzistorių dažninės savybės

Lauko tranzistoriai

Tikslas:

• Išsiaiškinti sandūrinių lauko tranzistorių sandarą, veikseną,

charakteristikas, darinius

• Išsiaiškinti MOP tranzistorių sandarą, veikseną, charakteristikas,

darinius

• Išmokti skaičiuoti LT parametrus

• Išmokti sudaryti LT ekvivalentinių grandinių schemas ir apskaičiuoti jų

elementų parametrus

• Išsiaiškinti nuo ko, kaip ir kodėl priklauso LT dažninės savybės, kokiais

parametrais jos apibūdinamos ir nuo ko jie priklauso



7

Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena

LT kanalo storis ir jo skerspjūvio plotas priklauso

nuo valdymo įtampos, veikiančios tarp užtūros ir

ištakos. Įtampa sandūroms yra atvirkštinė.

Didėjant šiai įtampai, pn sandūros plečiasi, kanalo

storis mažėja, o jo varža didėja.

Jeigu tarp santakos ir ištakos veikia įtampa, tai,

didėjant kanalo varžai, silpnėja juo tekanti srovė.

Taigi užtūros įtampa gali valdyti tranzistoriaus

kanalo srovę.

Kad srovė būtų efektyviau valdoma, priemaišų

tankis kanale parenkamas daug mažesnis nei

priemaišų tankis užtūros srityje.

nn 2dbb −=( )

d

kUIn

q

22

N

UUbb

+−=

ε



8


Didėjant užtūros-ištakos įtampai,

pn sandūros plečiasi, kanalo storis

mažėja, o jo varža didėja.

Jeigu tarp santakos ir ištakos

veikia įtampa, tai, didėjant kanalo

varžai, silpnėja juo tekanti srovė.

Taigi užtūros įtampa gali valdyti

tranzistoriaus kanalo srovę.

Kad srovė būtų efektyviau

valdoma, priemaišų tankis kanale

parenkamas daug mažesnis nei

priemaišų tankis užtūros srityje.

nn 2dbb −=( )

d

kUIn

q

22

N

UUbb

+−=

ε



9


kd

2n

UI08

qU

NbU −=

ε

+

+−=

k0UI

kUIn 1

UU

UUbb

Santakos srovės priklausomybė

nuo įėjimo įtampos

Atkirtos įtampa



10

Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksenaSandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena

Jeigu didėja išėjimo

įtampa:

kanalu tekanti srovė

stiprėja;

mažėja kanalo storis

prie santakos, didėja jo

varža.

Susilietus pn

sandūroms, per

tranzistorių tekanti

srovė beveik

nebestiprėja – įtampos

prieaugis krinta

nuskurdintajame

sluoksnyje...



11


Veikiant išėjimo įtampai, nuskurdintajame

sluoksnyje susidaro elektrinis laukas. Kanalu

tekant srovei, šis elektrinis laukas pagauna

priartėjusius prie nuskurdintojo sluoksnio

elektronus ir perneša juos prie santakos.



12


1. Lauko tranzistoriaus srovę valdo ne įėjimo srovė, kaip dvipoliame

tranzistoriuje, o įėjimo įtampa.

2. Lauko tranzistoriaus įėjimo grandinėje yra užvertoji pn sandūra. Todėl jo

įėjimo varža didelė – megaomų eilės.

3. Galimos kelios sandūrinio lauko tranzistoriaus būsenos: uždaroji, ominės

veikos, soties ir pramušimo.

4. Įjungto pagal bendrosios ištakos schemą lauko tranzistoriaus įėjimo srovė

silpna, todėl tranzistoriaus savybėms nusakyti pakanka vienos

voltamperinių charakteristikų šeimos, vaizduojančios, kaip tranzistoriaus

išėjimo srovė priklauso nuo įėjimo įtampos ir išėjimo įtampos. Praktikoje

naudojami du lauko tranzistorių statinių voltamperinių charakteristikų tipai

– perdavimo charakteristikos ir išėjimo charakteristikos.



13

Sandūrinio lauko tranzistoriaus statinės charakteristikos

Silpnų virpesių stiprintuvų grandinėse sudaromos sandūrinių lauko

tranzistorių soties veikos sąlygos. Tada santakos srovė priklauso nuo

įėjimo įtampos:2

0UI

UImaxSS 1

−=U

UII



14

Sandūrinių lauko tranzistorių dariniai

Planarusis sandūrinis ir metalo-puslaidininkio struktūros lauko tranzistoriai

Vienas svarbiausių lauko tranzistoriaus parametrų yra perdavimo

charakteristikos statumas. Jis didėja stiprėjant per tranzistorių tekančiai srovei.

Tačiau tranzistoriaus darbo tašką reikia parinkti taip, kad, veikiant įėjimo

įtampai, jo sandūros liktų užvertos. Taigi galimybės parinkti stipresnę santakos

srovę ir gauti didesnį statumą yra ribotos. Pavojaus, kad užtūra atsivers,

nebūna, jeigu tarp jos ir kanalo yra ne pn sandūra, o dielektriko sluoksnis.



15

LT su izoliuotąja užtūra

– MDP LT, MOP LT

(IG FETs, MISFETs,

MOSFETs)

LT su indukuotuoju

kanalu - praturtintosios

veikos LT

(E-MOSFETs)

LT su įterptuoju kanalu – nuskurdintosios-praturtintosios

veikos LT

(DE-MOSFETs)

Heterostruktūriniai LT –

didelio elektronų

judrumo LT

(HEMTs)

MOP tranzistoriai



16

MOP tranzistoriai su įterptuoju kanalu

MOP tranzistoriai su įterptuoju

kanalu yra nuskurdintosios-

praturtintosios veikos

tranzistoriai (angl. DE-

MOSFET – depletion-

enhancement MOSFET).

2

0UI

UI0SS 1

−=U

UII



17

MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu



18

MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu

2UI0UIS )( UUKI −=



19

MOP tranzistorių statinės charakteristikos



20

LT parametrai ir ekvivalentinės grandinės

;)( 20UIUIS UUAI −≅ S0UUI

UI

SIm 2)(2

d

dIAUUA

U

Ig I =−==

),(

0

SIUIS

U

UUfI

I

=

=

SIo

UImS

1U

rUgI +=

SIo

UImSISI

SUI

UI

SS d

1dddd U

rUgU

U

IU

U

II +=

∂

∂+

∂

∂=

1/ r o

U UI

U SI

I S U S

I

g m U UI

constkai,UI

Sm === SIU

∆U

∆ISg

constkai,S

SIo == UIU

∆I

∆Ur

-1KQm V 40k/q/ ≅≅ TIg )/(2/ 0UIUISQm UUIg −=>>



21

-1KQm V 40k/q/ ≅≅ TIg )/(2/ 0UIUISQm UUIg −=>>

LT parametrai ir ekvivalentinės grandinės

mg ~kl

µ

V-MOP tranzistoriaus struktūraIzoliuotosios užtūros dvipolis

tranzistorius (IGBT)



22

The IGBT combines the simple gate-drive characteristics of the MOSFETs with the high-

current and low–saturation-voltage capability of bipolar transistors by combining an

isolated gate FET for the control input, and a bipolar power transistor as a switch, in a

single device.

The IGBT is a fairly recent invention. The first-generation devices of the 1980s and early

1990s were relatively slow in switching ...

Large IGBT modules typically consist of many devices in parallel and can have very high

current handling capabilities in the order of hundreds of amps with blocking voltages of

6,000 V. Toyota's second generation hybrid Prius has a 50 kW IGBT inverter controlling

two AC motor/generators connected to the DC battery pack.[

Izoliuotosios užtūros dvipolis tranzistorius



23

kUUI

mT

π2

1

)(π2 τ=

+=

SCC

gf

maxkk / vl=τ

k

maxT

π2 l

vf =

o

mTmax

2 g

gff =

LT dažninės savybės

Didėjant dažniui, LT statumas mažėja dėl krūvininkų lėkio tranzistoriaus

kanale reiškinio.

x

x

x

S

SK j

0

esin

)j( −==ω2

kωτ=x

Didėjant dažniui, mažėja LT įėjimo varža ir srovės perdavimo koeficientas.

UIUSUIU )(j UCCI += ω UImS UgI = :S UII =



24

)(π2 USUI

mT

1222SI

1211UI

12US

CC

gf

CCC

CCC

CC

+=

−=

−=

=

constS

SIo

constUI

Sm

SI

SI

=

=

=

=

U

U

∆I

∆Ur

∆U

∆Ig

Lauko tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schema

80 nm,… 400 GHz



25

Lauko tranzistoriai

1. Lauko tranzistoriaus n kanale srovę kuria (elektronai, skylės, elektronai

ir skylės).

2. Sandūriniame lauko tranzistoriuje krūvininkai, judėdami iš ištakos į

santaką, (įveikia dvi pn sandūras, nesutinka nė vienos pn sandūros).

3. Sandūrinis lauko tranzistorius įjungtas pagal bendrosios ištakos

schemą. Jo maksimali santakos srovė – 20 mA, atkirtos įtampa – minus

10 V. Kokio stiprio tekėtų tranzistoriaus išėjimo srovė, kai įėjimo įtampa

lygi nuliui? Kokiai įtampai veikiant susidarytų tranzistoriaus soties veikos

sąlygos, jeigu įėjimo įtampa būtų minus 2 V?

4. Sandūrinio lauko tranzistoriaus atkirtos įtampa – minus 6 V ir maksimali

santakos srovė – 12 mA. Jeigu šių duomenų pakanka, sudarykite

tranzistoriaus perdavimo charakteristiką.

5. Neigiama įtampa (skurdina, turtina) MOP tranzistoriaus įterptąjį n

kanalą, teigiama įtampa kanalą (skurdina, turtina).



26

Lauko tranzistoriai

6. Sudarykite lauko tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės

schemą ir palyginkite ją su dvipolio tranzistoriaus Π pavidalo

ekvivalentinės grandinės schema.

7. Sandūrinio lauko tranzistoriaus maksimali santakos srovė – 8 mA,

atkirtos įtampa – minus 4 V. Apskaičiuokite tranzistoriaus perdavimo

charakteristikos statumą, kai įėjimo įtampa – minus 1,5 V.

8. Sandūrinio lauko tranzistoriaus su n kanalu atkirtos įtampa – minus 3 V,

maksimali santakos srovė – 9 mA. Raskite tranzistoriaus perdavimo

charakteristikos statumą, kai santakos srovė – 4 mA. Sudarykite

tranzistoriaus ekvivalentinės grandinės schemą. Laikydami, kad įėjimo

talpa – 9 pF, išėjimo talpa – 6 pF, pereinamoji talpa – 2 pF,

apskaičiuokite tranzistoriaus didžiausiąjį srovės stiprinimo dažnį .

9. Kodėl MOP tranzistoriams pavojingi statiniai krūviai?



27

After years of research and experimentation involving literally

hundreds of scientist from around the world, the final breakthrough

in the development of the transistor was left to three men. Dr Walter

Brattain, Dr John Bardeen and Dr William Shockley all three

scientists working at Bell laboratories, are the men credited with this

significant achievement. In December 1947 they made the historic

discovery of the transistor effect and in so doing developed the very

first transistor device. In 1956 their achievement was acknowledged

when they were awarded the Nobel Prize for physics.



28

___trailing the Transistor History.mht



29

4. Lauko tranzistoriai - VGTU tranzistoriai.pdf · Lauko tranzistoriai Lauko tranzistoriuose (angl....

Documents

Transcript of 4. Lauko tranzistoriai - VGTU tranzistoriai.pdf · Lauko tranzistoriai Lauko tranzistoriuose (angl....