TRANZISTOR CU EFECT DE CAMP

TEC sau FET ( Field-Effect-Tranzistor)

-sunt dispozitive unipolare- in functionarea lor intervine un singur tip de purtatori de sarcina.

-sunt comandate in tensiune (curentii de intrare sunt, practic, nuli); au impedanta mare de

intrare.

-se pot folosi ca rezistente comandate in tensiune.

-au o tehnologie mai simpla si permit o densitate mai mare de integrare (memorii,

microrocesoare)

TEC cu structura MOS (Metal-Oxid-Semiconductor) sunt foarte sensibile (pot fi distruse

prin atingere).

Clasificare:

- TEC-J (JFET) – tranzistoare cu poarta - jonctiune cu canal n sau cu canal p.

- TEC-MOS(MOSFET) – tranzistoare cu poarta izolata cu canal indus (n,p) sau initial

(n,p).

TEC-J CU CANAL “N” G (gate = grila) – poarta;

D (drena) – colecteaza (dreneaza) purtatorii;

S (sursa) - furnizeaza purtatori de sarcina care in cazul canalului de tip n sunt electroni.

Deoarece grila este negativata fata de sursa (UGS 0) jonctiunile pn sunt polarizate invers si

in jurul lor se creaza zone saracite in purtatori. Deplasand cursorul potentiometrului RP in sus,

negativarea creste si canalul se ingusteaza pana la strangularea lui complete. Odata cu

negativarea tot mai puternica a portii, curentul de drena ID (care are sensul contrar deplasarii

electronilor) se tot micsoreaza pana la anulare. In felul acesta tensiunea de intrare UGS 0

controleaza curentul ID. pentru a atrage electroni, drena este la un potential mai mare decat sursa

(UDS 0).

D

S

Gp ppR

GEDE

DR

DI

GSU

Simboluri de circuit

Sensul sagetii din symbol precizeaza tipul canalului (si al tranzistorului). Se observa ca

tensiunile UGS, UDS si curentul ID au semen contrare penteu cele doua tipuri de tranzistoare.

Deoarece jonctiunile sunt polarizate invers, curentii de grila sunt practice nuli.

Caracteristicile de drena. Caracteristica de transfer

ID=f(UDS, UGS)

UGS - se ia ca parametru, caracteristica de drena

R.Lin – regiunea lineara (ID≅k∙UDS)

R.SAT – regiunea de saturatie – caracteristicile sunt, practic orizontale (independente de

UDS)

De remarcat:

- La UGS=VP canalul este strangulat si ID=0

- La UGS=0 => ID=IDSS (valoarea maxima)

Caracteristica de transfer poate fi aproximata cu relatia:

∙ (

)

][mAID

][VUGSPV V3 V2 V1

constUDS 0

Ramura fizic imposibila

DSSIR. Sat.

V3

V2

V1

0GSU

][mAID

][VUDS

R.Lin

5

5

10

10

PGSDSsat VUU constU DS

PV

D

G

SGSU

DSU

D

G

SGSU

DSU

Canal de tip n Canal de tip p

Din punct de vedere matematic, relatia ID=f(UGS) (pentru UDS = constant si in regiunea de

saturatie) are doua ramuri. Doar ramura cu UGS intre 0 si VP este realizabila fizic.

Aplicatie:Amplificator cu TEC-J

Parametrii tranzistorului:

VP=-4V;

IDSS=8mA;

Tensiuni si rezistente:

EP=30V;

ES=-6V;

RG=10MΩ,

RD=10kΩ;

RS=4kΩ;

∗)In curent continuu:

Determinam PFS, adica ( ,

, ).

Presupunem ca tranzistorul lucreaza in regiunea de saturatie astfel ca putem folosi, ca o prima

ecuatie, expresia caracteristicii de transfer. A doua legatura intre ID si UGS, inlocuiesc tensiunile

in [V], curentii in [mA] si rezistentele in [kΩ]. se obtine sistemul:

∙ (

)

∗

∙ ∙ ∗∗

Din rezolvarea sistemului se obtine o solutie corecta

si una

falsa .

Solutia creata se recunoaste prin faptul ca VP UGS0 0. In schimb, la solutia falsa UGS

0=6V-

3,1mA∙4kΩ ≅ - 6V VP.

Tensiunea UDS0 poate fi aflata din ecuatia:

=ED-RD∙

-RS∙ -ES=30V-10kΩ∙2mA-4kΩ∙2mA+6V=8V. solutia completa este (2mA, -

2V, 8V).

Verificam daca presupunerea ca tranzistorul lucreaza in regiunea de saturatie este corecta

(altfel calculele nu ar fi valabile). La limita regiunii de saturatie, UDSsat=UGS-VP. pentru

caracteristica pe care se afla PFS calculat, putem scrie UDSsat=-2-(-4)=2V. evident,

=8V UDSsat.Deci presupunerea initiala a fost justa si PFS este corect calculat.

(∗)In curent alternativ:

Comportarea la variatii a amplificatorului poate fi analizata pe baza schemei echivalente:

DE

1C

DR

2C

SRGR

G

S

D

inu

iesu

SE

DI

Transconductanta gm se determina din expresia caracteristicii de transfer:

gm

∙

(

)

∙ ∙ √

∙ √ ∙

In exemplu, rezulta: gm

∙ √ ∙ 2

Se obtin valorile: Rin=RG=10MΩ (foarte mare, acesta e principalul avantaj al

amplificatorului cu TEC).

Ries=

∗|

Au

∙ ∙

∙ ∙

∙

∙

∙

∙ .

Amplificarea de tensiune este mica deoarece gm este mica (in comparatie cu valorile uzuale

pentru tranzistor bipolar).

TEC MOS cu canal indus de tip “p”

Structura TEC MOS din figura arata ca intre zonele de tip p

care formeaza suras (S) si drena (D) nu exista in momentul

initial, un canal. Daca insa negativam grila, o parte din golurile

existente in substratul de tip n voor fi atrase pe cealalta parte a

substratului de oxid izolator si canalul astfel indus va permite

trecerea curentului. Fiind un curent de goluri, ID are semnal de la

sursa la drena.

D

G

SGSU

DSUB

Sei

G D

gsU

*i

GR

SR

DRinu iesu

inR iesR

gsm Ug

G DS

B

pp

substratn

Oxizi, strat

izolator

Pentru a atrage golurile, drena trebuie sa fie negativizata fata de sursa (UDS 0). Cu cat

negativizarea grilei este mai puternica (UGS 0) cu atat canalul indus este mai larg si ID este mai

mare pentru UDS dat. Ca si la TEC-J, in planul caracteristicilor de drena se pot distinge doua

regiuni: o regiune liniara in care ID depinde si de UDS si de UGS, conform relatiei: ID=K[2 (UGS-

VP) – UDS – UDS2]

O regiune de saturatie in care curentul ID depinde, practic, doar de UGS conform relatiti:

ID=K(UG-VP)2 pentru |UGS| VP

Reprezentarea grafica a ultimei relatii este numita caracteristica de transfer. Deoarece pentru

inducerea canalului, trebuie indeplinita relatia

UGS VP (tensiunea de prag), numai una din cele

doua ramuri ale parabolei este fizic realizabila.

Parametrul K este dependent de tehnologie:

K=(1...10)mA/V2.

Relatiile precedente sunt valabile si pentru un

TEC-MOS cu canal indus de tip ‘n’ cu precizarea

ca tensiunile si curentii au sensuri schimbate.

Simbolul de circuit si caracteristica de transfer se

prezinta alaturat. Ramura fizic realizabila a

parabolei (pentru care se creaza canalul intre drena

si sursa corespunde pozitivizarii grilei peste nivelul

tensiunii de praf: UGS VP.

Observatie: pentru TEC-MOS cu canal initial vezi pagina 119.

Aplicatie: aplificator cu TEC-MOS (p. 123 problema 4.2.1).

Parametrii tranzistorului VP=3V, k- nu se da, dar se stie ca la ∗ =6V, curentul de drena este

∗ =10mA. Rezistentele au valori din figura (remarcati valoarea intensa a lui RG – in scopul

cresterii rezistentei de intrare). Tensiunea de alimentare: ED=30V

][mAID

][VUGSPV V3 V2 V1

constUDS 0

Ramura fizic imposibila

R. Sat.

V4

V6

V8

VU GS 10

][mAID

][VUDS

R.Lin

5

5

10

10

PGSDSsat VUU constU DS

][mAID

][VUGSPV2 6

constUDS 0

G

S0GSU

0DSU

B

D

In curent continuu:

Determinam PFS al tranzistorului ( ,

, ). Mai intai calcumal valoarea marametrului

K ∗

≅1,1 mA/V

2. Desi RG este foarte mare, pe ea nu apare cadere de tensiune

deoarece curentul de grila este nul.

Ca urmare,potentialul grilei, VG depinde doar de difuzorul de tensiune (RG1, RG2):

VG=ED

Acum putem exprima tensiunea UGS=VG-VS=VG-ID∙RS.

Cea de-a doua ecuatie este reprezentata de caracteristica de transfer ID=k(UGS-VP)2. Daca se

elimina UGS intre cele doua ecuatii iar tensiunile se inlocuiesc

in [V] si rezistentele in [kΩ] rezulta o ecuatie pentru ID in

[mA]: 10 ID2-169ID+640=0. Solutia adevarata este

ID0=5,73mA (ID=11,17 este o falsa solutie deoarece pentru

acest curent ar rezulta UGS=11V-1kΩ∙11,17mA=-

0,17V VP=3V). deci, =11V-1KΩ∙5,73Ma=5,27

=ED-

∗ (RD+RS)=7V. in figura alaturata este reprezentata dreapta

de sarcina si PFS calculat.

Se verifica faptul ca =7V UDSsat=5,27V-3V=2,27.

In curent alternativ:

Comportarea amplificatorului la variatii se analizeaza pe baza schemei echivalente:

DE

1C

DR

2C

SR

MRG 10

kRG 191

kRG 112

k3

k1

G

S

D

inuiesu

][VUDS

][mAID

mAID 73,50

DSSDDD URRIE )(

VUDS 70

Ecuatia dreptei de saracina

Ca si in cazul TEC-J, transconductanta gm se determina ca panta caracteristicii de transfer in

PFS:

gm

2K(UGS-VP)=2K∙√

=2√

cu valorile din acest exemplu, rezulta gm~5 mA/V. Acum, se poate calcula valoarea

amplificarii:

Au

∙

∙ =-2,5.

Ca si pentru amplificatorul cu TEC-J, Au este mica.

Marele avantaj al acestui amplificator este rezistenta de intrare:

Rin=

=RG+RG1||RG2=RG=10MΩ.

Aceasta inseamna ca pentru uin cu amplitudinea de 1V, curentul iin abia atinge amplitudinea

de 0,1µA..

Ries

∗|

RD=3kΩ

S

G D

gsU

*i

GR

SR

DRinu iesu

inR iesR

gsm Ug

1GR2GR