Tranzistoare Unipolare (Cu Efect de Câmp)

DCE - C ap .7. TRANZISTOARE UNIPOLARE (CU EFECT DE CÂMP)

Cap.7. TRANZISTOARE UNIPOLARE (CU EFECT DE CÂMP)

Funcţionarea tranzistoarelor unipolare (cu efect de câmp) TEC (sau FET = Field Effect Transistor) se bazează pe variaţia conductibilităţii unui canal dintr-un material semiconductor, ale cărui dimensiuni transversale pot fi controlate cu ajutorul câmpului electric creat de tensiunea de semnal (comandă), aplicată pe un electrod de control numit grilă sau poartă (G- gate). În toate TEC-urile actuale câmpul electric este perpendicular pe calea de trecere a curentului (numită canal).

Spre deosebire de TB, a căror funcţionare este bazată pe existenţa ambelor categorii de purtători mobili (majoritari şi minoritari), funcţionarea TEC se bazează pe un singur tip de purtători: purtătorii majoritari; din acest motiv ele se mai numesc şi tranzistoare unipolare.

După modul de realizare a grilei TEC se împart în două categorii:- cu grilă joncţiune (TEC-J sau J-FET);- cu grilă izolată (IG-FET) sau metal-izolant-semiconductor (TEC-MIS), sau dacă izolantul

este bioxid de siliciu SiO2 se numeşte TEC-MOS (MOS-FET sau MOS).TEC-urile combină multe din avantajele tuburilor electronice (rezistenţă de intrare foarte

mare, stabilitate termică bună) cu cele ale TB (dimensiuni reduse, consum redus de putere, robusteţe mecanică). TEC-urile au şi unele dezavantaje faţă de TB cum ar fi: pantă mică, cădere de tensiune mai mare în stare de conducţie, împrăştierea mare a caracteristicilor, putere mică.

7.1. TEC CU GRILA JONCTIUNE7.1.1. Structură şi funcţionareCanalul conductor la acest TEC este delimitat în volumul unui semiconductor cu ajutorul a

două joncţiuni pn polarizate invers. În figura 7.1 se arată structura fizică obişnuită a unui TEC - J canal n, cel mai răspândit TEC-J. Sursa este electrodul de la care pleacă purtătorii mobili (e-) spre canal, iar drena este electrodul spre care se îndreaptă purtătorii mobili (e-) din canal. Lungimea canalului (L) este de 10…100 ori mai mare decât grosimea sa (a).

Pentru TEC-J canal p toate regiunile sunt de tip invers celor din figura 7.1. Formal, structura TEC-J seamănă cu cea a TB, dar funcţionarea este cu totul diferită. În timp ce la TB, joncţiunile au rolul de a injecta şi respectiv colecta purtătorii de sarcină, joncţiunile TEC-J au rolul de a delimita şi modula secţiunea transversală a canalului prin care trece curentul. La TB curentul circulă perpendicular pe suprafeţele joncţiunilor, iar la TEC-J paralel cu joncţiunile. Ca electrod de referinţă la TEC-J cel mai des întâlnit este sursa. Pentru a urmări mai uşor principiul de funcţionare al TEC-J, vom considera iniţial că grila este legată la sursă (UGS=0). Pentru ca electronii majoritari din canal să se deplaseze de la S spre D, la TEC-J canal n, D trebuie să fie pozitivă faţă de S (UDS>0). Având în vedere polaritatea tensiunii de D, rezultă că orice punct din regiunea n a canalului se află la un potenţial pozitiv faţă de sursă şi deci faţă de grilă. Cele două joncţiuni pn sunt polarizate invers, iar curentul transversal pe joncţiuni este neglijabil (10-9 A) şi nu intervine

Sursă Grilă Drenă

n+ p+ n+ 4 µm a n

L=(10…100).a 100µm Si p+

Bază (grila a doua)

legătură internă Fig. 7.1.a

G

25 S D

100

Fig. 7.1.b Schemă de măsură cu ohmmetrul

63


în funcţionarea dispozitivului. Întrucât regiunile de tranziţie ale dispozitivului sunt golite de purtători mobili, curentul între D şi S este determinat de rezistenţa canalului cuprins între cele două regiuni de tranziţie. Regiunile de tranziţie ale joncţiunilor se extind practic numai în regiunea canalului, deoarece acesta este mult mai slab dopat comparativ cu regiunile de grilă. Vom mai presupune că înălţimea barierelor (Uo) este aceeaşi la ambele joncţiuni şi că doparea canalului este uniformă. Dacă UDS<<Uo, grosimea regiunilor de tranziţie este constantă în lungul canalului, canalul va avea secţiune constantă şi se va comporta ca o rezistenţă ohmică (fig.7.2.a). Caracteristica de ieşire ID(UDS) începe deci cu o porţiune liniară (porţiunea OA din fig.7.3).

Pentru UDSUo, canalul nu mai are secţiunea uniformă; potenţialul în lungul canalului crescând de la valoarea “0” în dreptul S la valoarea UDS în dreptul D, U de polarizare inversă aplicată celor 2 joncţiuni creşte în valoare pe măsura apropierii de drenă. Concomitent creşte grosimea regiunilor de tranziţie, deci scade secţiunea transversală a canalului (fig.7.2.b). Din această cauză conductanţa canalului scade cu creşterea lui UDS, caracteristica devine neliniară

64

ID C

B UGS=0IDSS

A

0 UDSS UDS străpungere UDS

Fig. 7.3

Fig. 7.2.b

Fig. 7.2.c Fig. 7.2.d


(porţiunea AB, fig.7.3). Crescând în continuare tensiunea UDS se ating regiunile de tranziţie ale celor 2 joncţiuni şi canalul se închide (la tensiunea UDSS) (fig.7.2.c). Pentru UDS>UDSS , S şi D sunt complet separate printr-o zonă golită de purtători mobili (fig.7.2.d), curentul prin canal nu se anulează însă. Continuitatea curentului prin zona golită de purtători este asigurată de injecţia pe care canalul o face în punctul T, în care cele două regiuni de tranziţie se unesc. Între D şi S există un cîmp electric E în lungul canalului. Electronii care ajung dinspre canal în punctul T sunt trecuţi de acest cîmp în regiunea drenei. Situaţia este asemănătoare cu ceea ce se petrece la joncţiunea C-B a TB. Când UDS creşte, punctul T se deplasează spre S, dar potenţialul său rămâne UDSS. Restul tensiunii UDS cade pe regiunea golită TT’. Distanţa TT’ este de ordinul grosimilor regiunii de tranziţie, deci mult mai mică decît lungimea canalului. Dacă lungimea canalului este aproape constantă cu creşterea lui UDS IDSS constant (porţiunea BC din fig.7.3).

Pentru UDS f. mari joncţiunile se străpung în dreptul drenei şi ID creşte foarte mult.Să considerăm acum şi efectul polarizării grilei. În cazul TEC-J canal n, pentru ca joncţiunile

G-canal să fie polarizate invers, UGS<0. Datorită tensiunii de grilă, regiunile de tranziţie ale joncţiunilor se extind în canal, iar secţiunea canalului scade, scăzând şi conductanţa (fig.7.4 corespunde cazului a din fig.7.2).

Crescând UDS fenomenele vor fi similare cazului UGS=0, dar canalul se închide la UDS mai mică: UDsat=UDSS+UGS , unde UGS<0 ; IDsat<IDSS . Străpungerea joncţiunilor în dreptul drenei are loc la o tensiune mai mică decît în cazul UGS=0: U’DSstr=UDSstr+UGS , unde UGS<0. La o anumită valoare UGS=Up (tensiune de penetraţie, prag) regiunile de tranziţie ale celor 2 joncţiuni se ating pe întreaga lungime a canalului, canalul conductor dispare, ID=0. Se observă că Up= –UDSS . Experimental Up se defineşte ca UGS pt. care ID are o anumită valoare (de exemplu 1µA), şi este parametru de catalog al TEC-J. Pentru TEC-J canal p, Up>0, uzual |Up|=1…10V, cel mai adesea |Up|=2…3V.

7.1.2. Caracteristici statice. Simboluri. Expresia curentului de drenă

În regiunea nesaturată canalul este continuu între S si D. În regiunea de saturaţie canalul este obturat la capătul dinspre D. În toate punctele dependenţa UDS= -Up- |UGS|. În majoritatea aplicaţiilor practice TEC-J lucrează în regiunea de saturaţie. Al doilea regim de funcţionare, ca importanţă, este cel liniar, în care TEC-J lucrează ca rezistenţă comandată de tensiunea aplicată grilei (UGS). Pentru simbolizare (fig. 7.6) canalul e reprezentat printr-o bară, iar contactele prin segmente perpendiculare pe canal. Pe contactul grilei se pune o săgeată care indică joncţiunile grilă-canal (sensul săgeţii este de la p la n ca şi la TB).

Expresia curentului de drenă în regiunea de saturaţie:IDS=IDSS(1– UGS /Up)n ; UDS>UGS – Up

IDSS este curentul de saturaţie pentru UGS=0, iar coeficientul n1,5 … 2,5. Frecvent n=2. În catalog se precizează IDSS max. În regiunea de saturaţie este importantă caracteristica de transfer grilă-drenă (fig. 7.7).

65

Fig. 7.4


În regiunea nesaturată: UDS < UGS - Up

ID=IDSS/Up2 [ 2(UGS - UP)UDS - UDS

2 ]

Exemple de TEC-J produse în ţară:canal p: ROS 104canal n: BFW 10…13, 2N 4091…4093

245, 247, 256 duble: 2N5912, 3955, 5545- din import: BF 244

7.2. TEC CU GRILĂ IZOLATĂ (TEC-MOS)7.2.1. Structură şi funcţionare. Simboluri

TEC - J canal p : UGS>0, Up>0, UDS<0, ID<0

Fig. 7.6. Simboluri:canal n canal p

ID

mA UGS=0 IDSS regim de saturaţie

-0,5 V -1V străpungere

-1,5 V

-2 V Up= -2,5

-2,5 V

0 10 20 30 UDS Fig. 7.5. Caracteristicile de ieşire Id (Uds) cu UGS=ct

Fig. 7.7. ID(mA)

IDSS 15

10 UDS>UDsat

Up 5

-3 -2 -1 UGS (V)

66


Structura tipică a unui TEC cu grilă izolată (cu canal n indus) este arătată în figură:

Avem un substrat şi-p în care s-au format două regiuni n+. Contactul ohmic la substrat constituie baza, care se conectează la sursă, uzual referinţă de potenţial. Stratul de SiO2 are o grosime de circa 0,1 m. Când grila este lăsată în gol sau e negativă faţă de sursă (UGS< 0), între sursă şi drenă există două joncţiuni p-n legate în opoziţie. Curentul IDS= 0 indiferent de polaritatea UDS. Dacă grila se pozitivează faţă de substrat, ea va respinge golurile de la suprafaţa semiconductorului spre interior şi va atrage la suprafaţă electroni. Peste o anumită valoare a tensiunii de grilă, concentraţia electronilor la suprafaţă depăşeşte pe cea a golurilor, formându-se un canal de tip n între sursă şi drenă. Conductanţa acestui canal indus de câmpul electric depinde de diferenţa de potenţial între grilă şi sursă => curentul care circulă între drenă şi sursă poate fi controlat de potenţialul aplicat grilei. Datorită izolării bune realizate de SiO2, în circuitul grilei va circula un curent mic (10-14A), astfel că puterea necesară grilei este neglijabilă (IG0). Conducţia curentului are loc într-un strat foarte subţire la suprafaţa semiconductorului => TEC - MOS se mai cheamă de suprafaţă, pe când TEC - J este TEC de volum. După cum se formează canalul, TEC - MOS poate fi cu canal indus si cu canal iniţial. La cel cu canal p este invers decât în figura 7.8. Uneori TEC - MOS cu canal indus se mai numesc TEC în regim de îmbogăţire, deoarece un strat subţire de la suprafaţa semiconductorului se îmbogăţeşte cu purtători minoritari. În cazul TEC - MOS cu canal iniţial, canalul conductor există chiar si când grila se află la potenţialul 0 faţă de substrat (UGS=0); tensiunea aplicată grilei, în funcţie de semnul ei, poate mări sau micşora conductanţa canalului. Şi în acest caz canalul poate fi de tip p sau n. Simboluri utilizate pentru TEC-MOS (uzual baza se conectează la sursă – figura 7.9):

- canal indus: canalul este reprezentat întrerupt; săgeata este de la p la n;- canal iniţial: canalul este reprezentat continuu.

Fig. 7.9Un avantaj important al TEC-MOS îl constituie rezistenţa de intrare foarte mare (1013-

1018). Legat de aceasta se impun anumite precauţii în manipularea TEC - MOS. Eventualele sarcini care se pot acumula pe grilă, prin simpla frecare a terminalelor, nu au cale de scurgere şi determină creşterea potenţialului faţă de substrat, CGS este foarte mică (1pF) şi cantităţi mici de electricitate determină creşterea UGS până la tensiunea de străpungere a stratului de SiO2. Tensiunea de străpungere este de 50…100 V.

Evitarea străpungerii stratului de SiO2se face în două moduri:

67

Fig. 7.8


1. TEC - MOS se livrează şi se manipulează cu o sârmă (un conductor) care se scoate numai după montarea tranzistorului în circuit. Lipirea se face cu ciocane cu transformator de reţea şi împământare. Se folosesc mese cu tăblii metalice cu împământare.

2. Pe acelaşi substrat cu MOS-ul se realizează un sistem de protecţie.În prima variantă, pe acelaşi substrat şi odată cu tranzistorul se realizează o diodă Zener cu o

tensiune de străpungere de 30..50 V<UGS de străpungere a oxidului. În a doua variantă se realizează pe substratul tranzistorului T1 de protejat, un al doilea TEC - MOS T2, însă cu tensiune de prag foarte mare (30 V), pentru că are oxidul gros (1µm). Dacă UGS e mare (peste 30 V), se deschide T2 şi protejează pe T1. Aceste protecţii duc la scăderea rezistenţei de intrare la …

.

Fig. 7.10.a Fig. 7.10.b7.2.2. Caracteristici statice ale TEC-MOS. Expresia curentului de drenăCaracteristici statice de ieşire pentru TEC–MOS cu canal indus

Considerăm un TEC - MOS cu canal n indus, cu baza legată la sursa S care se ia ca origine de potenţial. Ca să se asigure formarea canalului, adică a stratului de inversiune, trebuie ca UDS>0 şi UGS>0. Tensiunea de prag UP este tensiunea la care apare stratul de inversiune.

Pentru UGS<UP între drenă şi sursă nu circulă curent, IDS=0, deoarece între ele există două joncţiuni p-n în opoziţie.

Pentru UGS>UP apare la suprafaţă stratul de inversiune. Prin acest strat poate circula curentul IDS între grilă şi sursă.

Pentru UDS<<UGS se poate aproxima că diferenţa de potenţial între G şi suprafaţa substratului este constantă în lungul canalului, astfel încât canalul se comportă ca o conductă. Deci caracteristicile statice ID(UDS) cu UGS= constant, pornesc liniar din origine (fig. 7.11). Această regiune este numită liniară.

La tensiuni negative TEC-ul se comportă liniar. Pe măsură ce UDS creşte, diferenţa de potenţial dintre grilă şi suprafaţa substratului scade, deci scade conductanţa canalului (porţiunea AB din figura 7.11). La sursa tensiunea pe izolant este UGS, indiferent de valoarea lui UDS; în dreptul drenei tensiunea pe izolant este UGS-UDS. Crescând UDS se ajunge la situaţia în care căderea de tensiune pe izolant în dreptul drenei scade sub limita necesară menţinerii stratului de inversiune.

68

Fig. 7.11


Tensiunea UDS la care se închide canalul se numeşte tensiune de saturaţie. UDSsat=UGS-UP. În regiunea de saturaţie: UDS>UDSsat, în vecinătatea drenei nu mai există canal ci o regiune golită de purtători. Curentul prin această regiune este asigurat similar ca la TEC-J. La UDS mai mari apare fenomenul de străpungere; caracteristicile sunt similare cu cele de la TEC-J cu excepţia polarităţii UGS.

Caracteristici statice de ieşire pentru TEC-MOS cu canal iniţial

În TEC-ul cu canal iniţial există un canal la suprafaţa substratului, între S si D, având conductibilitate de tip opus substratului, chiar când UGS=0. În figura 7.12. se prezintă caracteristicile statice pentru un TEC - MOS cu canal n iniţial.

Pentru UGS=0 avem o anumită conductanţă . Dacă UGS>0, grila atrage electroni, regimul este de îmbogăţire. Pentru UGS<0, grila respinge electroni, regimul este de sărăcire. Peste o anumită valoare UP<0, canalul este golit de electroni, iar IDS=0. Pentru acest TEC se preferă să se lucreze cu UGS<0.

Caracteristici de transfer: ID(UGS) cu UDS>UDSsat

Fig. 7.13

Expresia curentului de drenă în regiunea de saturaţie (pentru UDS>UDSsat):

IDS=K*(UGS-UP)2 (indus) ; IDS=IDSS*(1-UGS/UP)2 (iniţial);Ex.: K=0,3 mA/V2 IDSS=K*UP

2;Exemple de TEC-MOS produse în ţară:

- canal p: ROS 01, 04, 05 (dublu)- canal n: ROS 02, BFR 84, BFS 28, BSV 81(cod american): 3N 139, 3N 159ICCE: V-MOS (MOS-uri de putere): RVM 35A1, 60A1.

7.3. CIRCUITE DE POLARIZARE PENTRU TEC

Polarizarea TEC pune probleme mai simple decât la bipolar, deoarece caracteristicile lor statice depind mai puţin de temperatură iar grila nu absoarbe curent.(IG=10-9A la TEC-J si 10-14A

69

Fig. 7.12


la TEC-MOS). Dispersia de fabricaţie a parametrilor este mare. Vom avea două scheme de polarizare.

7.3.1. Polarizarea TEC-J si TEC-MOS cu canal iniţial în regim de sărăcire

Fig. 7.14Ca să se evite folosirea a 2 surse de alimentare, se foloseşte un circuit de polarizare cu

negativare automată a grilei la triodă. Negativarea grilei se realizează prin punerea grilei la potenţialul masei pentru regimul de curent continuu si polarizând sursa pozitiv faţă de masă prin căderea de tensiune pe RS. Grila se pune la masă prin RG. Trebuie ca URG=IG*RG<<ID*RS. Trebuie ca RG să fie o sarcină cât mai mare pentru sursa de semnal.

IG=10-9A => RG va fi câţiva MΩ.RG prea mare duce la modificarea PSF cu creşterea temperaturii. CS constituie un scurtcircuit pentru semnal ca să nu micşoreze amplificarea datorită lui RS. Modelul uzual este:

Exemplul 1: Să se determine RS, RD pentru ca TEC-J să lucreze în PSF cu ID=2,5mA; UDS=7V; ED=25V, folosind un TEC-J care are UP=-4V; IDSS=10mA.Rezolvare:ID=IDSS(1-UGS/UP)2 <=> 2,5=10(1+UGS/4)2 =>UGS=-6V <UP (soluţia nu este bună; blocat) -2V>UP (soluţia este bună)A II-a metodă (soluţia cu semnul (-) este bună; cu semnul (+) TEC-J-ul este blocat):

UGS=-RS*ID(URG=0); RS=-UGS/ID=2/2,5 =>UG=-2V>UP.ED=UDS+ID(RD+RS)=> RD=(ED-UDS-RS*ID )/ID=6,4KΩ,0.8KΩ.Verificăm condiţia de saturaţie: UDS>UDSsat=UGS-UP=-2+4=2V.Calculăm valoarea maximă a rezistenţei RD ca TEC-J să rămână în saturaţie.RD<RDmax=(Eb-UDSsat-RD*ID)/ID=

=(Eb-UDS+UP-UGS)/ID=(Eb+Up)/ID=(25-4)/2,5=8,4 KΩ.

70

Fig. 7.15

-6V UP=-4V UGS=-2V

IDSS=10mA

ID

ID=2,5mA

Ugs=-RSID

UGS

Fig. 7.16


Un circuit cu o comportare mai bună la dispersia de fabricaţie a parametrilor este cel cu divizor la intrare (în grilă).

Pentru creşterea rezistenţei de intrare a etajului se foloseşte RG3, adiţională de valoare mare (zeci de MΩ) cu o toleranţă necritică, iar RG1, RG2 în jur de 1MΩ, respectiv 100KΩ, cu precizie mare. Rin=RG3+RG1

| | RG2.

7.3.2. Circuite de polarizare pentru TEC-MOS cu canal indus (şi pentru canal iniţial în regim de îmbogăţire)

IG=10-14A0, URG3= IG*RG3=0Pentru stabilizarea PSF se folosesc metodele de la TB.UGS=(ED*RG2)/(Rg1+RG2); ED=RD*ID+UDS; ID=K(UGS-UP)2;Exemplul 2: Un TEC-MOS cu canal n indus are următoarele caracteristici:UP=3V; K=0,25mA/V2;

UGS=UP , dar soluţia cu semnul (-) nu este bună (TEC-MOS blocat)Să se dimensioneze circuitul de polarizare (cu RG3=0), care să asigure Rin=RG=RG1 || RG2=1MΩ ID=0,25(UGS-3)2. Circuitul este cel anterior, fără RG3 (=0).Rin=RG=RG1 || RG2=1MΩ; PSF: ID=4mA, UDS=8V; ED=24V. Se cer: RG1; RG2; RD;Rezolvare:4=0,25(UGS-3)2=> UGS -> -1V<Up soluţia nu este bună (TEC-MOS blocat)

-> 7V>Up soluţia este bună (tensiune la care există canal indus)

UGS=Rg2 * Eb

Rg1 Rg2Rg *

Ed

Rg1

RG1=RG*ED/UGS=3,42MΩ; RG2=RG*RG1/(RG1-RG)=1,41MΩ.RD=(ED-UDS)ID=(24-8)/4=4KΩ; UDS>UDSsat=UGS-UP=7V-3=4VRD<RDmax=(ED-UGS+UP)/ID==(24-7+3)/4=5K

Schema de mai jos are avantajul că menţine automat în saturaţie TEC-MOS-

ul cu canal indus.

IG=0; UGS=UDS; UDS>UDSsat (Up>0)

71

Fig. 7.17

Fig. 7.18

sau

-1V UP=3V -UGS=7V

PSF

ID

UGS

ID=4mA

Fig. 7.19


Fig. 7.20

7.4. REGIMUL DINAMIC DE SEMNAL AL TEC7.4.1. Circuitul echivalent de joasă frecvenţă

Rezistenţa de intrare este considerată infinită. Tensiunea de grilă comandă curentul din circuit prin intermediul unui generator de curent; gm se numeşte conductanţă mutuală, transconductanţă sau pantă.

Presupunem variaţii mici în jurul PSF:ID=dID/dUGS+(dID/dUDS)*UDS => id=gm*ugs + gd*uds ; UDS= constant.

= -2

12 2Idss

Up

Ugs

Up

Idss

Up

Id

Idss UpId *Idss( )

; gm0= transconductanţa pentru UGS=0.

Uzual gm0=1...10 mA/V. În practică gm reală este ceva mai mică decât cea calculată.La canal indus:

ID=K(UGS-UP)2; gm=2K(UGS-UP)=2 KId; gd se neglijează de obicei.

Fig. 7.21. Circuitul echivalent de joasă frecvenţă

7.4.2. Funcţionarea TEC ca amplificator de joasă frecvenţă

Se desenează circuitul echivalent în semnal mic pentru exemplul 1 cu TEC-J canal n:

Fig. 7.22gd0; Ro

Fie RL=RD||1/gd(||RD)RD; Uies=-gm*Ugs*RL; Au= Uies/Ugs=-gm*RL -gm*RD =

= - 2,5*6,4= -16Dacă la schema cu TEC-J cu negativare automată lipseşte CS, sursa nu va mai fi la masă; deci avem o rezistenţă RS.Au=Uies/Um=-gm*RL(1+gm*RS) ( -RD/RS nu este o aproximaţie aşa de bună ca la TB, căci transconductanţa gm este mică)

Au=2 5 6 4

1 2 5 0 8

, * ,

, * ,-5.33.

72


Fig. 7.23gd0Se desenează circuitul echivalent de semnal mic pentru exemplul 2 cu TEC-J canal n:

Fig. 7.24

gm=2 0 25 4, * =2.5mA/VAu=Uies/Ug=-gm*RD=-2*4= -8.

7.5. ALTE DISPOZITIVE CU EFECT DE CÂMP7.5.1. TEC cu straturi subţiri

Se realizează depunând pe un substrat izolant din sticlă, safir sau cuarţ, un strat subţire de Si monocristalin şi apoi se depun pelicule metalice pentru G, S si D.

Cea mai răspândită variantă este SOS (Siliciu on safir), cu care se pot realiza simultan pe safir mai multe dispozitive, deci circuite integrate.

7.5.2. Structura hibridă TEC-MOS – tranzistor bipolar

TEC-MOS-urile au gm mică (mai ales cele cu canal p). Prin combinaţie cu T.B.=> un tranzistor compus (conexiune similară cu Darlington, figura 7.25), gm=100...1000mA/V. Se folosesc şi în circuite integrate (ex.: în MMC 4511 pe ieşire).

73

Fig. 7.25


Pentru puteri mari se folosesc tranzistoare V-MOS (POWER MOSFET) având până la 1000V/100A cu frecvenţa de comutaţie fW < 20 KHz. Au o structură verticală cu stratul de drift slab dopat (fig. 7.26). Combinate în aceeaşi structură verticală cu un tranzistor bipolar de putere rezultă tranzistorul bipolar cu baza izolată IGBT (ISOLATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) – figura 7.27, figura 7.28.

IGBT este un tranzistor hibrid care îmbină avantajele MOS cu cele ale TB, MOSFET având comutaţie rapidă şi comanda în tensiune, iar TB având curenţi mari, tensiune de blocare mare, pierderi mici în conducţie. Descrierea IGBT: joncţiune GE întreţesută, are un strat p+ puternic dopat ce realizează colectorul, p+ si n+ generează o joncţiune pn, injecţia purtătorilor minoritari (p+) în stratul de drift micşorează rezistenţa RON si IC, stratul tampon n+ este puternic dopat şi are rolul de a micşora timpii de comutaţie, de a reduce tOFF. Avantaje: volum redus, fiabilitate mare. Dezavantaj: cost mare.

Caracteristica statică de ieşire a IGBT (fig. 7.29) este similară cu cea a TB, dar cu deosebirea că nu există străpungerea a doua. Caracteristica de transfer (comanda) este prezentată în figura

7.30.

74

IC

UGS

UPrag

IC

UCE

UGS2 > UGS1

UGS1 > UP

UGS = UP

Fig. 7.30Fig. 7.29

n+ 1019/cm3

n- 1014/cm3

p p1016

n+ n+ n+n+

1019

D

G

SG

ESi O2 Si O2

n+ 1019 n+ 1019

J3 p+ 1016

n+ 1014

n+ 1019/cm3

p+ 1019/cm3

J1

drift

tampon

strat de injecţie

CFig. 7.26

Fig. 7.27

Fig. 7.28

C

E

G


7.5.3. TEC-MOS cu 2 grile (tetroda MOS)Constă din 2 MOS-uri în

serie, drena primului fiind contopită cu sursa celui de-al doilea. Curentul între sursa primului şi drena celui de-al doilea este controlat de ambele tensiuni din grilă. Sunt folosite în radiofrecvenţă, în selectoare TV. Ex.: BF960..966, 980, 981.

7.5.4. Diode limitatoare de curent

Există două categorii de diode limitatoare (sau regulatoare) de curent: dioda cu efect de câmp (DEC) si dioda cu limitare de viteză (DLV). DEC este un TEC-J la care grila este conectată la sursă în interiorul dispozitivului. Caracteristica ID este identică cu cea de la TEC-J pentru UGS=0. O caracteristică asemănătoare are şi DLV, la care limitarea curentului se obţine ca efect al saturării vitezei de drift a purtătorilor în câmpuri mari. Limitatoarele de curent se utilizează ca sarcină pentru tranzistoare (au rezistenţa dinamică de peste 10 ori mai mare decât rezistenţa statică, rezultând amplificări mari la tensiuni mici de alimentare), sau ca dispozitive de protecţie sau limitare.

75

Fig. 7.31

Tranzistoare Unipolare (Cu Efect de Câmp)

Documents

Transcript of Tranzistoare Unipolare (Cu Efect de Câmp)