Vitaminele.doc

Ministerul Educaiei din Republica Moldova

Universitatea Tehnica a Moldovei

Facultatea de Inginerie i Management n Electronic i Telecomunicaii

Catedra Telecomunicaii

ReferatLa lucrarea de laborator Nr. 3Tema : Tranzistorul cu efect de cimpLa disciplina : Tehnica MicroundelorA efectuat studentul gr. TLC-132 Brinza N.A verificat

lec. univ. Iov V.Chiinu 2014Tranzistoare cu efect de cmp

Tranzistoare cu efect de cmp (TRANZISTOARE UNIPOLARE)4.1. Generalitati4.2. Tranzistorul cu efect de cmp cu jonctiune4.2.1. Constructie. Principiu de functionare4.2.2. Simboluri, notatii4.2.3. Caracteristicile statice ale TECJ4.2.4. Polarizarea TECJ4.2.5. Modele de semnal mic4.3. Tranzistorul cu efect de cmp cu grila izolata (tranzistorul MOS)4.3.1. Constructie. Principiu de functionare 4.1. Generalitati

Functionarea tranzistoarelor cu efect de cmp (TEC) se bazeaza pe variatia conductantei unui strat de material semiconductor, numit canal, sub actiunea cmpului electric creat de tensiunea aplicata unui electrod de comanda numit grila (G) sau poarta. Spre deosebire de tranzistorul bipolar, curentul prin TEC se datoreaza deplasarii numai a purtatorilor majoritari, electroni sau goluri, dupa cum canalul este de tip n, respectiv p. De aceea, TEC se numeste si tranzistor unipolar. Pentru desemnarea tranzistoarelor cu efect de cmp, se utilizeaza adesea prescurtarea FET (Field Effect Transistor). Exista doua tipuri de TEC:

a. TEC cu jonctiune (sau cu grila jonctiune) TECJ (JFET);

b. TEC cu grila izolata, sau TEC metalizolatorsemiconductorTECMIS (MISFET), TEC metaloxidsemiconductorTECMOS (MOSFET).

4.2. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP CU JONCTIUNE

4.2.1. CONSTRUCTIE. PRINCIPIU DE FUNCTIONARE Consideram cazul TEC cu canal n. Structura sa este prezentata in sectiunea din figura 4.1.

Structura prezentata in figura 4.1 pune in evidenta urmatoarele zone: zonele n+ difuzate in stratul epitaxial n, una din ele numita sursa, iar cealalta drena, apoi zona p+ centrala numita grila sau poarta care, impreuna cu substratul p+ delimiteaza canalul n. In tranzistor iau nastere doua jonctiuni p+n, una intre poarta si canal, iar a doua intre substrat si canal. Jonctiunea poarta canal este polarizata invers, iar grosimea regiunii de sarcina spatiala asociata acestei jonctiuni face ca sectiunea conductiva a canalului (regiunea n neutra) sa fie mai mica dect distanta dintre cele doua jonctiuni. Aceasta sectiune este controlabila electric prin diferenta de potential care exista intre poarta si canal. In procesul de conductie electronii sunt emisi de sursa si colectati de drena. NOTA: Si substratul p+ poate fi folosit ca grila. Daca se leaga la acelasi potential cu grila propriu-zisa, cazul cel mai des intlnit, atunci se obtine un efect de cmp" aproximativ simetric fata de axa longitudinala a dispozitivului. Substratul poate fi folosit insa si ca un al patrulea electrod de comanda, caz in care se obtine tetroda cu efect de cmp. TECJ are avantaje importante fata de TB, dintre care amintim: dependenta de temperatura a caracteristicilor mai redusa, deoarece in conductia TECJ nu mai intervin purtatorii minoritari;

rezistenta de intrare (pe electrodul grila) foarte mare (sute sau mii de M ), datorita jonctiunii grilei polarizate invers, lucru care este util in anumite aplicatii;

inexistenta tensiunii de decalaj, adica tensiune drenasursa nula pentru curent de drena zero;

zgomot mai redus.

Ca dezavantaje putem aminti: TEC nu amplifica in curent, iar amplificarea in tensiune este mica in raport cu a TB. In circuitele electronice cu componente discrete, dar si in anumite circuite integrate (de exemplu, in anumite amplificatoare operationale), TEC se intlneste impreuna cu TB, exploatndu-se avantajele ambelor tipuri de tranzistoare.

4.2.2. SIMBOLURI, NOTATIISimbolurile folosite pentru tranzistoarele cu efect de cmp cu jonctiune sunt reprezentate in figura 4.2.

a) b)

Fig. 4.2. Simbolul TECJ: a) cu canal n; b) cu canal p

Se remarca faptul ca si in cazul TECJ sageata desemneaza o jonctiune pn (sensul este de la semiconductorul p la semiconductorul n). Curentul de grila iG este foarte mic (de ordinul nanoamperilor) si va fi considerat practic nul.

4.2.3. CARACTERISTICILE STATICE ALE TECJ TECJ are urmatoarele tipuri de caracteristici statice:

caracteristicile de iesire ID = ID(VDS) cu VGS = ct.;

caracteristicile de transfer ID = ID(VGS) cu VDS = ct.

a) Modelul simetric idealizat

Analiza functionarii o facem pentru TECJ cu canal n, comportarea tranzistorului cu canal p fiind analoga. Pentru studiul functionarii TECJ cu canal n, vom utiliza modelul simetric idealizat din figura 4.3.

Fig. 4.3. Modelul simetric idealizat al TECJ

b) Functionarea la tensiuni drena-sursa mici

Admitnd vDS 0, potentialul canalului n neutru este uniform si practic egal cu potentialul de referinta (al lui S). Ca urmare, variatia largimii regiunii de sarcina spatiala de-a lungul canalului va fi neglijabila, iar profilul canalului va fi uniform (fig. 4.3). Daca negativarea portii creste (vGS scade), atunci grosimea efectiva a canalului, 2b, scade, datorita maririi regiunii de sarcina spatiala. Grosimea canalului devine nula pentru vGS = VP numita tensiune de prag sau de taiere (blocare). Plaja de tensiuni care corespunde functionarii TECJ este:

VP < vGS < V . (4.1)

Limita superioara, V este tensiunea de deschidere a jonctiunii pn. In mod obisnuit se asigura functionarea la vGS < 0. Conductanta G a canalului are expresia aproximativa

, (4.2)

unde G0 are semnificatia conductantei canalului la vGS = 0.

Caracteristicile statice ID = ID(VDS) cu VGS = const., la VDS mic sunt date de relatia:

, (4.3)

fiind reprezentate in figura 4.4. Caracteristica VGS = VP coincide cu axa orizontala.

Fig. 4.4. Caracteristicile ID = ID(VDS) cu VGS = const. la VDS mic

TECJ este folosit in regiunea liniara de la tensiuni VDS mici (orientativ sub 0,1 V), dar nu ca amplificator, ci ca rezistenta controlata in tensiune. In aceasta zona conductanta drena-sursa gd este identica cu conductanta G a canalului si rezistenta drena-sursa este rd = rd(VGS), unde VGS este tensiunea continua grila-sursa. Pentru calcule practice se poate aproxima rd cu expresia empirica: , (4.4) unde r0 este rezistenta pentru VGS = 0, iar K o constanta a tranzistorului. c) Caracteristicile statice de drena In figura 4.5 sunt reprezentate caracteristicile experimentale de drena ID = ID(VDS) pentru VGS = ct. ale unui tranzistor cu canal n. Aceste caracteristici sunt liniare numai la tensiuni VDS foarte mici. Pentru tensiuni VDS mai mari se disting: o zona neliniara, o zona de saturatie in care ID este foarte slab dependent de VDS si o zona de strapungere, caracterizata printr-o crestere abrupta a curentului.

Fig. 4.5. Caracteristicile de drena

Zona neliniara

Fig. 4.6. Profilul sarcinii spatiale din canal la o tensiune VDS < VDS,sat In figura 4.6. se arata o schita a profilului de sarcina spatiala din canal la o tensiune VDS < VDS,sat, unde VDS,sat este tensiunea VDS la care apare saturatia curentului de drena. Potentialul canalului creste treptat de la sursa la drena, polariznd invers din ce in ce mai puternic portiunea corespunzatoare a jonctiunii p+n poarta-canal. Ca urmare canalul se ingusteaza treptat, pe masura ce ne apropiem de drena. Datorita neuniformitatii grosimii canalului, acesta nu se mai comporta ca o rezistenta liniara. Acest lucru explica forma neliniara a caracteristicilor, curbarea acestora fiind in sensul cresterii rezistentei deoarece caderea de tensiune VDS micsoreaza sectiunea conductiva a canalului.

Zona de saturatie

Urmarind mai departe o curba VGS = ct. in sensul cresterii lui VDS, se constata ca de la o anumita valoare ID nu mai creste apreciabil cu VDS. Aceasta corespunde saturatiei curentului. Prin definitie pentru VDS VDS,sat, ID = ID,sat. Teoria arata ca saturatia corespunde cazului in care canalul este strangulat lnga drena. Aceasta strangulare apare cnd diferenta de potential intre poarta si extremitatea de lnga drena a canalului este egala cu tensiunea de prag, adica: VGS VDS,sat = VP. (4.5) Forma ideala" a caracteristicilor de drena, cu delimitarea zonei de saturatie a curentului este data in figura 4.7.

Fig. 4.7. Caracteristicile ideale" de drena

Pentru VDS > VDS,sat profilul sarcinii spatiale din canal este cel din figura 4.8.

Fig. 4.8. Profilul sarcinii spatiale din canal pentru VDS > VDS,sat Zona de strapungere

La tensiuni VDS mari apare o crestere abrupta a lui ID datorita strapungerii prin multiplicare in avalansa care apare la capatul de lnga drena al jonctiunii poarta-canal. Tensiunea de strapungere este V(BR)DS.

d) Caracteristica statica de transfer

Dispozitivul este folosit ca amplificator in zona vDS > VDS,sat. In aceasta situatie iD = ID,sat, independent de vDS (vezi fig. 4.7). Ca urmare, tranzistorul, lucrnd in zona de saturatie a curentului, are o unica caracteristica de transfer ID = ID(VGS), independenta de VDS. Pentru calcule de circuit se foloseste aproximatia parabolica (fig. 4.9):

ID = ID,sat = IDSS, (4.6)

unde IDSS =.

Fig. 4.9. Caracteristica de transfer a TECJ

e) Efectul variatiei temperaturii

Odata cu cresterea temperaturii, IDSS scade datorita scaderii mobilitatii purtatorilor de sarcina (o variatie relativ lenta). De asemenea, VP scade cu temperatura, astfel ca apar modificari ale caracteristicii de transfer ca in figura 4.10.

Fig. 4.10. Modificarea cu temperatura a caracteristicii de transfer

Zona preferata de lucru a TECJ este cea de la curenti mari. Problema ambalarii termice nu se pune in cazul TECJ.4.2.4. POLARIZAREA TECJa) Schema de polarizare automata a portii este prezentata in figura 4.11.

Fig. 4.11. Polarizarea automata a portii

Polarizarea automata a portii fata de sursa este asigurata de caderea de tensiune data de curentul de sursa IS = ID pe rezistenta RS. Aceasta tensiune este aplicata pe poarta prin rezistenta RG, care are valori de ordinul M . Punctul static de functionare (PSF), in planul caracteristicii de transfer poate fi determinat prin intersectia caracteristicii de transfer cu dreapta de polarizare a carei ecuatie este:

VGS = RSID, (4.7)

asa cum se arata in figura 4.12.

Fig. 4.12. Determinarea punctului static de functionare al TECJ, folosind caracteristica statica de transfer

Observatie. Punctul static de functionare al TECJ poate fi determinat grafo-analitic folosind si caracteristicile statice de drena, prin intersectia cu dreapta statica de sarcina. Datorita dispersiei caracteristicilor, caracteristica ID = ID(VGS) este insa nesigura. In figura 4.13 sunt reprezentate caracteristicile de transfer extreme, care au in vedere att dispersia de la un exemplar la celalalt, ct si variatia cu temperatura pentru un anumit tip de tranzistor. Sa presupunem ca variatia lui ID corespunzator punctului static de functionare nu este tolerata dect intre IA si IB care determina punctele A si B pe caracteristicile limita. Ca urmare, linia de polarizare trebuie sa treaca printre A si B, asa cum se vede in figura 4.13.

Fig. 4.13. Determinarea PSF al TECJ in conditiile cunoasterii unor limite ale curentului de drena

b) Schema de polarizare cu divizor rezistiv pe poarta

Atunci cnd variatia ID = IB IA impusa este prea mica si nu se poate gasi o linie de polarizare care sa treaca corect printre punctele A si B si in acelasi timp prin origine, se foloseste circuitul de polarizare modificat ca in figura 4.14, a, pentru a asigura:

VGS = VGG IDRS, (4.8)

unde VGG =.

a b

Fig. 4.14. Polarizarea cu divizor rezistiv a TECJ

Conform figurii 4.14, b, polarizarea tranzistorului respecta si conditia impusa asupra lui ID al PSF si anume, ca aceasta sa fie cuprinsa intre IA si IB.

4.2.5. MODELE DE SEMNAL MICa) Modelul de semnal mic pentru frecvente joase

La frecvente joase comportarea tranzistorului este cvasistationara si modelul de semnal mic poate fi dedus prin liniarizarea caracteristicilor in jurul unui punct de functionare. Diferentiind id = id(vGS; vDS), se obtine:

, (4.9) sau trecnd la variatii finite mici: iD = gmvGS + gdvDS. (4.10) Se definesc parametrii: Conductanta mutuala (transconductanta sau panta):

(4.11)

Conductanta de drena (de iesire):

. (4.12) se numeste rezistenta de drena.

Daca tranzistorul este polarizat in regiunea liniara a caracteristicilor, atunci panta gm si rezistenta de drena rd au valori mici. In regim de saturatie a curentului la acelasi VGS, panta este maxima, iar rezistenta de drena este foarte mare (teoretic infinita daca admitem ca saturatia curentului este perfecta). Aceasta este regiunea in care tranzistorul va fi folosit ca amplificator. In regiunea de saturatie, acceptnd expresia empirica (4.6), rezulta:

, (4.13)

unde

, (VP < 0) (4.14)

este panta maxima (obtinuta la VGS = 0). Valorile uzuale pentru gm sunt de ordinul 0,110 mS, iar pentru rd, 011 M . Circuitul echivalent de semnal mic pentru frecvente joase este prezentat in figura 4.15.

Fig. 4.15. Circuitul echivalent de semnal mic pentru frecvente joase

b) Modelul de semnal mic pentru frecvente inalte

La frecvente inalte trebuie luate in considerare capacitatile dintre electrozi, asa cum se indica in figura 4.16.

Fig. 4.16. Circuitul echivalent la frecvente inalte

Cgs este capacitatea de bariera dintre poarta si sursa, iar Cgd este capacitatea de bariera dintre poarta si drena. Valorile tipice ale celor doua capacitati sunt de ordinul 110 pF. Capacitatea drena sursa a canalului, Cds poate avea valori de 0,11 pF. Datorita capacitatilor dintre electrozi, in tranzistor apare o reactie interna, iar amplificarea scade la frecvente inalte.

4.3. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP CU GRILA IZOLATA (TRANZISTORUL MOS)4.3.1. CONSTRUCTIE. PRINCIPIU DE FUNCTIONARE Tranzistorul MOS este un dispozitiv electronic la care conductia curentului electric se produce la suprafata semiconductorului. Proprietatile conductive ale suprafetei semiconductorului sunt controlate de un cmp electric ce ia nastere ca urmare a aplicarii unei tensiuni pe electrodul poarta. In figura 4.17 este reprezentata structura unui tranzistor MOS.

Izolatorul folosit este un strat subtire de oxid (SiO2) obtinut prin oxidarea termica a suprafetei de Si. Poarta este realizata, de regula, din aluminiu, dar poate fi realizata si din alte materiale, ca de exemplu, Si policristalin puternic dopat. Conductia se realizeaza la suprafata substratului de Si, intre doua zone de tip opus substratului, cele doua zone numindu-se sursa (S) si drena (D). In figura 4.17 substratul se considera de tip p, sursa si drena fiind de tip n+. Pentru a se putea stabili un curent electric intre sursa si drena, suprafata semiconductorului trebuie inversata ca tip, adica sa devina de tip n. In acest fel, la suprafata apare un canal de tip n care leaga sursa de drena. Inversarea tipului de conductivitate a suprafetei, precum si controlul rezistivitatii canalului se face prin cmpul electric ce ia nastere prin aplicarea tensiunii pe poarta. Cnd electrodul poarta este lasat in gol sau i se aplica o tensiune negativa (vGS < 0) in raport cu sursa, nu exista practic conductie intre sursa si drena, deoarece regiunile sursei si drenei, impreuna cu regiunea din substratul semiconductor cuprinsa intre aceste regiuni, formeaza doua jonctiuni pn+ legate in opozitie, astfel ca, indiferent de polaritatea tensiunii aplicate intre sursa si drena, una din jonctiuni va fi polarizata invers, blocnd calea de conductie intre sursa si drena. Cnd poarta este pozitivata (vGS > 0) fata de sursa si drena, in stratul de oxid de sub electrodul poarta ia nastere un cmp electric (fig. 4.18) orientat dinspre metal (grila) spre semiconductor (substrat), cmp care respinge de la interfata golurile, marind concentratia electronilor minoritari. Peste o anumita valoare VP a tensiunii vGS, numita tensiune de prag, concentratia electronilor la interfata devine mai mare dect concentratia golurilor, adica s-a inversat tipul de conductibilitate. Stratul superficial de la interfata, in care, sub actiunea cmpului electric generat de tensiunea de grila, a fost inversat tipul de conductibilitate a semiconductorului (in cazul de fata de la plan) se numeste strat de inversie sau canal indus (aici, canal n). Formndu-se stratul de inversie intre D si S, cu acelasi tip de conductibilitate ca si regiunile respective, se asigura conductia electrica intre drena si sursa.

Fig. 4.18. Tranzistorul MOS cu grila pozitivata in raport cu sursa

Aplicnd atunci o tensiune vDS, prin circuitul de drena va trece un curent iD cu sensul corespunzator polaritatii lui vDS. Daca dupa formarea canalului marim tensiunea vGS, conductanta canalului va creste, deoarece se mareste intensitatea cmpului electric si un numar mai mare de electroni se acumuleaza in canal. Prin urmare, conductanta canalului va fi comandata de catre vGS prin intermediul cmpului electric dintre grila si substrat. Cu alte cuvinte, curentul iD este controlat de tensiunea vGS cnd aceasta depaseste valoarea de prag VP. In jurul sursei, al drenei si al canalului apare o zona de sarcina spatiala.

Un nou portal informaional!

Dac deii informaie interesant si doreti s te impari cu noi atunci scrie la adresa de e-mail : support@sursa.mdPAGE