ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 5. Tranzistory, řízené polem (FETy) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
Jan 18, 2016
ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY
5. Tranzistory, řízené polem
(FETy)
Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
Unipolární tranzistory
Tranzistory řízené polem
Nebo jiný název
FET - Součástka se třemi elektrodami:
• Emitor (S- Source)
• Hradlo (G – Gate),
• Kolektor (D – Drain),
• případně ještě pomocná elektroda: Hmota (B – body)
(FETy - Field Effect Tranzistors)
(Procesů se účastní pouze nosiče jednoho znaménka)
Tranzistory řízené polemÚvod
Struktura:
• Existuje větší počet různých struktur
• Společný princip všech FETů:Nosiče jednoho znaménka procházejí vrstvou polovodiče – kanálem, od emitoru (S) ke kolektoru (D) a jejich průchod je regulován elektrickým polem E hradla (G)
SG D
Kanál N
-E
Tranzistor JFETStruktura
Kanál typu N (proud je přenášen elektrony) nebo P (proud je přenášen dírami)
• Hradlo je od kanálu izolováno vyprázdněnou oblastí P-N přechodu
• Popis provedeme pro idealizovaný JFET s kanálem typu N:
Tranzistor bez předpětí
S
G
Kanál
P++
N
Vyprázd. oblast
d0 2aD
LgG ND … dotace kanálu
NP … dotace hradla
D
S
G
Schématická značka (kanál N)
Pro kanál P má šipka opačný směr
Tranzistor JFETPopis činnosti při UDS = 0 V
A
D2Dp0 N
N1aN
2ε
eU
S
G
D
UGS=Up0
G UGS=Up0
0 V 0 V
S
G
dD
UGS=-1 V
UGS=-1 V G
0 V 0 VUGS=0 V
S
G
Kanál N d0 2aD
LgG
0 V 0 V
Při snižování napětí na hradle UGS se postupně zužuje šířka d nevyčerpané oblasti až při napětí zaškrcení (kanálu) Up0 dojde k úplnému přerušení vodivého spojení mezi emitorem a kolektorem:
2
p0GS a
daUU
Tranzistor JFETPopis činnosti při předpětí hradla i kolektoru
23
p0
DS
DS
p02
3
p0
DSGS
DS
p0
p0
DS0D
U
U
U
U
3
2
U
UU
U
U
3
21
U
UII
S
G
d D
UGS=-1 V
UGS=-1 V G
UDS = +5 V
0 V
Při růstu napětí UDS roste proud kolektoru ID ale protože se současně dále zaškrcuje kanál, neroste lineárně:
p0
GS
p0
0
GS
Dm U
U1
U
I
U
Ig
Velmi důležitým parametrem, zachycujícím zesilovací schopnost tranzistoru FET je přenosová vodivost gm (strmost), která je na nízkých kmitočtech shodná s parametrem y21:
Tranzistor JFETCharakteristiky
UDS/Up0
UGS/Up0 = 0
0,1
0,2
0,4
0,8
ID/I01
1
Kolektorové charakteristiky
UGSUp0
ID
I0
Převodní charakteristiky
UDS = Up0
UDS < Up0
UDS > Up0
Tranzistor JFETCharakteristiky
Kolektorové charakteristiky pro vyšší napětí UDS
UDS/Up0
UGS = 0ID/I01
1
Oblast saturace
Jakmile se kanál zaškrtí (UDS=Up), přestane mít zvyšování napětí UDS vliv na proud kolektoru – dojde k saturaci:
S
G
D
G
UDS>Up
zaškrcená část
UDS-Up
U1Up-U1
Tranzistor JFETRežimy činnosti
A) Režim ochuzování: Up0 0
• při nulovém UGS tranzistorem teče
proud• pracovní režim: UGS 0
• kanál se přiloženým záporným napětím přivírá
• dobrá linearita, dobré šumové vlastnosti, vysoké kmitočty, velká spotřeba
B) Režim obohacování: Up0 0
• při nulovém UGS tranzistorem neteče proud
• pracovní režim: UGS 0
• nízká spotřeba, horší šum, horší vf vlastnosti
UGSUp01
ID
Převodní charakteristiky
Up02
Režim ochuzování
Režim obohacování
Tranzistor JFETLinearizované vf náhradní schéma
CG
CDGG
S
DRG
RiRS
RDGD
ID
A) Vnitřní tranzistor bez šumu
CG … kapacita vyprázdněné oblasti přechodu G-S
Ri … nabíjecí odpor hradla
ID = UGSgm0 … náhradní proudový zdroj kolektoru
GD = ID/UDS … výstupní diferenciální vodivost
CDG … mezielektrodová kapacita
RG, RS, RD … přívodní odpory elektrod
Tranzistor JFETLinearizované vf náhradní schéma
CGSCDS
CG
CDGG
S
DRG
RiRS
RDGD
uSn
uGn uDn
ID
iDn
B) Úplné schéma
CGS, CDS … vnější mezielektrodové kapacity
uGn, uSn, uDn … šumová napětí tepelného šumu parazitních odporů RG, RS, RD
iDn … šumový proudový zdroj kanálu (výstřelový šum)
Tranzistor JFETDynamické vlastnosti
m
G0GG g
C
v
Lτ
2
1
GSim0G
DGDGSGiDGTMAG
MAG
2RRRgC
C2CRRRG4Cff
f
fMAG
Pro JFET je z hlediska dynamických vlastností kritická doba průchodu nosičů kanálem (přesněji pod hradlem) G:
LG
wG
ND d
S
GD
kde: v … je rychlost nosičů pod hradlem
CG0 … je kapacita hradla při UGS = 0 V
Tranzitní kmitočet: Maximální dosažitelný zisk:
GT 2π
1f
Tranzistor JFETSkutečné provedení, vlastnosti, aplikaceŘez strukturou
S G D
Kanál N
P++
Podložka P- 200 m
2 m
Materiál – obvykle Si
Vlastnosti - Aplikace
• Vysoká vstupní impedance
• Dobrá odolnost proti statické elektřině
• Dobrá zatížitelnost
• Velké zbytkové napětí
• Technologie kompatibilní s bipolárními tranzistory
• Vhodné jako vstupní tranzistory v bipolárních integrovaných obvodech
• Nevhodné pro spínání velkých proudů
Tranzistor MESFET
Řez strukturou s kanálem N
S G D
Kanál N
N++
Intrinzická podložka (bez dotace)
100 m
1 m
Materiál – obvykle GaAs
Přechod kov - polovodič
MESFET = Metal – Semiconductor = přechod Kov – polovodič
Schématická značka
D
S
G
Šipka označuje propustný směr přechodu hradlo -
kanál
Tranzistor MESFETVlastnosti
ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI:
• Funkce obdobná jako JFET
• Snadněji se dosahuje kátké hradlo (LG 0,3 m)
• GaAs má 2xvyšší pohyblivost elektronů než Si
(e 0,8 m2/s/V)
• vysoké mezní kmitočty až 100 GHz
• nízký vlastní šum na vysokých kmitočtech:
F 1 dB/10 GHz
DALŠÍ VLASTNOSTI:
• Citlivé na statickou elektřinu (Schotkyho přechod).
• Malá přetížitelnost (GaAs má horší tepelnou vodivost než Si).
• Vysoký nf šum - nevhodné pro aplikace do 1 až 10 MHz (poruchové stavy na povrchu kanálu)
• Malá účinnost (vysoké proudy kolektoru) vhodnější pro nízkovýkonové aplikace
Tranzistor MESFETAplikace
APLIKACE:
Typický mikrovlnný tranzistor pro kmitočty 1 – 100 GHz:
• Zesilovače do 100 GHz
• Oscilátory, směšovače do 100 GHz
• Přepínače, zeslabovače do 35 GHz
• Logické obvody DCFL, děličky kmitočtudo 12 GHz
• Monolitické IO
S
D
D
G
0,5m1,5m
Kanál
S G D
Princip realizace submikronového hradla
0,5m
0,1m
Tranzistor HEMT(High Electron Mobility Tranzistor)
STRUKTURA:
Kanál je tvořen velmi tenkou vrstvou s vysokou pohyblivostí
elektronů HEM
VLASTNOSTI, APLIKACE:
• Vysoká strmost gm0 vysoký kmitočet fT
• Nízké odpory přívodů RS, RG, RD nízký šum F 0,2 dB/12 GHz
• Velmi citlivý na statickou elektřinu a na přetížení
• Typický nízkošumový vysokofrekvenční tranzistor (pro pásmo 10 GHz – 100 GHz)
• Nevhodný na kmitočty f 1 GHz
S
G
D
Semiizolační GaAs
Intrinzický GaAs
Intrinzický AlGaAsN+ GaAs
N++ GaAs
Vrstva HEM
Tranzistor MOSFET(Metal Oxid Semiconductor FET)
Struktura se zabudovaným kanálem typu N:
Tranzistorem protéká proud
Podložka: Si – P-
S G D
Si N+Si N+Zabudovaný
kanál N
Izolující vrstva oxidu
SiO2
Bez předpětí hradla:
UDS = + 5 V
Podložka: Si – P-
S G D
Si N+Si N+
Běžný režim: UDS = 5 V, UGS = - 2 V, pracuje v režimu obohacování i ochuzování
UDS = + 5 VUGS = 2 V
S předpětím hradla:
Tranzistor MOSFETSTRUKTURA S INDUKOVANÝM KANÁLEM TYPU N:
S kladným předpětím hradla
Podložka: Si – P-
S G D
Si N+Si N+
Indukovaný kanál N
Izolující vrstva oxidu
SiO2
Běžný režim: UDS = +5 V, UGS = + 3 V, pracuje pouze v režimu obohacování
Bez předpětí hradla:
Tranzistorem neprotéká proud
Podložka: Si - P
S G D
Si N+Si N+
Izolující vrstva oxidu
SiO2UDS = + 5 V
Tranzistor MOSFETVlastnosti, aplikace
Základní vlastnosti:
• Vysoká impedance hradla (y11 ~ 1013 – 1015 )
• Up = 2 až 10 V
• fT = 100 MHz – 1 GHz
• Vysoké zbytkové napětí Uz 2 - 3 V
• Vysoká citlivost na statické napětí
• Lze realizovat komplementární součástky
Aplikace:
• Vstupní stupně měřicích zesilovačů a zesilovačů slabých signálů čidel
• Logické obvody s malou spotřebou a velkou integrací (CMOS)
• Výkonové zesilovače do 2 GHz
• Spínače a přepínače nízkého proudu
• Nevhodné pro spínače velkého proudu
Tranzistor MOSFETCharakteristiky
Tranzistor s indukovaným kanálem typu N:
Tranzistor se zabudovaným kanálem:
UDS
ID
UGS = 0 V
UGS = -0,5 V
UGS = - 1 V
UGS = -2 V
UGS = -3 V
V oblasti saturace roste proud!UDS
ID
Saturovaná oblastLineární oblast
UGS = 5
UGS = 3 V
UGS = 1.5 V
UGS = 0.75 V
UGS = 0.35 V
D +
S -
G + B
D +
S -
G - B
Tranzistory FETTypologie
Typy kanálu:
• Zabudovaný kanáltypu N nebo P
• Indukovaný kanáltypu N nebo P
Typy izolace hradla:
• P-N přechod
• Přechod kov- polovodič
• Heteropřechod
• Oxid
Režimy činnosti:
• S obohacením (Enhancement – E)
– při nulovém předpětí hradla neteče kolektorový proud
– předpětí hradla má stejný smysl jako napětí UDS
• S ochuzením (Depletion – D)
– při nulovém předpětí hradla teče kolektorový proud
– předpětí hradla je opačné oproti kolektorovému napětí
Tranzistor IGBTPrincip a struktura
Motivace:Při spínání velkých proudů (kA) je
důležité:
• Aby měl spínací tranzistor nízké zbytkové napětí US – jinak vznikají vysoké ztráty na tranzistoru v sepnutém stavu
PZ = USIK
• Aby byl proud řídicí elektrody nízký – jinak to způsobuje velké problémy při ovládání spínače
Problémy a řešení:• Bipolární tranzistory mají nízké zbytkové napětí US ale potřebují proud báze k řízení proudu kolektoru
• FETy nepotřebují k řízení proudu kolektoru proud hradla ale mají velké zbytkové napětí
• Řešením je integrovaná součástka, která slučuje výhody FETů a bipolárních tranzistorů:
Tranzistor IGBT
Tranzistor IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor
kanál N
G (+) E (-) G (+)
C (+)
E1: p+
B1: n-
C1: p+
SiO2
T2
D2
S2 E3
(n+)
T1
T3
B1: n+
Rb
E
G
C Schématická
značka:
Náhradní schema:
C +
G
E
Rb
T2
T1
T3
D2
S2 E3
B1
C1
E1
Tranzistor IGBTVlastnosti, aplikace
Vlastnosti:
• Vysoká vstupní impedance malé spínací ztráty, nízké nároky na budicí stupně
• Nízké saturační napětí v sepnutém stavu malé vodivostní ztráty v sepnutém stavu
• Příklad parametrů: Umax Imax fmax 1 600 V 1 200 A 20 kHz
4 500 V 4 000 A 300 Hz
Použití:
Hlavně ke spínání ve výkonových měničích a regulátorech pro pohon trakčních motorů
Tranzistor IGBTPříklad aplikace
50 Hz
3AC
f Hz3ACC0
C1
R1D1
Přepěťová ochrana
Sběrací kondenzátor
Třípulznítřífázový
usměrňovač
Třífázový střídač s
IGBT
Lp
Parazitní indukčnost
přívodů
U0
Ci L
U U, R
1
4f C,1
dm
2
p
CEM
2
d
2 1výst 1
idm.... je max. ss proud tranzistoremUCEM.... je max. přípustná velikost
spínaného napětí