Tranzystory unipolarne

TRANZYSTORY POLOWE
Tranzystory polowe, zwane również unipolarnymi i kanałowymi, należą po­dobnie jak tranzystory bipolarne do grupy elementów aktywnych, umożliwiających wzmacnianie, przetwarzanie, przełączanie i generację sygnałów elektrycznych. Stosowane są dwa zasadnicze rodzaje tranzystorów polowych: złączowe (JFET, PNFET, MESFET) oraz z izolowaną bramką (MOSFET, MISFET). Wykonuje się je z krzemu, z wyjątkiem tranzystorów mikrofalowych MESFET wytwarzanych z arsen­ku galu. Działanie tranzystorów polowych jest oparte na możliwości regulacji przekroju kanału przewodzącego w półprzewodniku za pomocą pola elektrycznego prostopadłego do osi kanału.

TRANZYSTORY POLOWE ZŁĄCZOWE
Tranzystory polowe złączowe mają na powierzchni bocznej kanału wykonane złącze p-n lub m-p. W złączu tym pod wpływem napięcia przykładanego do nich wy­twarza się pole elektryczne prostopadłe do kanału. Powoduje to zmianę przekroju kanału, gdyż warstwa przejściowa złącza zachodzi na kanał, a więc zmiana jej grubości pod wpływem zmian napięcia wywołuje zmianę grubości kanału. Wytwarza się tranzystory z kanałem typu n oraz typu p. Mechanizm działania obu rodzajów tranzystorów jest taki sam, z tą różnicą, że w kanale typu n prąd jest tworzony przez elektrony, w kanale typu p zaś przez dziury, a normalna polaryzacja elektrod w tych tranzystorach ma przeciwną biegunowość. Dlatego dalsze omawianie ograniczymy do wybranego arbitralnie tranzystora z kanałem typu p. Przykład struktury takiego tranzystora podano na rys. 5.45. Na podłożu z silnie domieszkowanego krzemu typu n(n+) o grubości ok. 150 (xm wytwarza się warstwę krzemu typu p, w której górnej części wytwarza się techniką selektywnego domieszko­wania kolejny obszar n+. Obszar typu p, położony pomiędzy obszarami n+, pełni funkcję kanału przewodzącego prąd. Kanał ten jest w obu końcach połączony z elektro­dami, umownie nazwanymi źródłem (S) i drenem (Z)). Do obszaru n+ w środku górnej powierzchni struktury jest dołączona elektroda, zwana bramką (G). W niektórych rozwiązaniach również obszar Ť+ podłoża jest po­łączony z wyprowadzeniem zewnętrznym i w takim przypadku jest on nazywany bramką nr 2.

Tranzystory polowe złączowe polaryzuje się normalnie w ten sposób, by złącze {złącza) ograniczające przekrój kanału było(y) w czasie pracy zawsze na całej swojej długości w stanie zaporowym. Przy takiej polaryzacji uzyskuje się maksymalną zależ­ność prądu kanału od napięcia bramka-kanał i jednocześnie sterowanie prądem kanału odbywa się przy minimalnym poborze mocy źródła sygnału sterującego. W stanie zaporowym złącza bramka-kanał bowiem grubość warstwy przejściowej złącza najsil­niej zależy od napięcia polaryzacji zewnętrznej i prąd bramki ma bardzo małą wartość. Z powyższej zasady polaryzacji wynika bezpośrednio biegunowość napięć międzyelektrodowych tranzystora w czasie normalnej jego pracy (rys. 5.46)

Prąd płynący przez kanał tranzystora jest zależny od rezystancji kanału (rDs) i wartości napięcia dren-źródło (UDS)

Rezystancja kanału jest najmniejsza, gdy wszystkie elektrody tranzystora są zwarte ze sobą. Wówczas bowiem przekrój czynny kanału ma największe rozmiary. Wzrost dodatniego napięcia UGS, jak również ujemnego napięcia UDS, powoduje za­wężenie kanału, czemu odpowiada wzrost rezystancji kanału. W rezultacie sterowania rezystancją kanału otrzymuje się bardzo użyteczne charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora (rys. 5.47). Prąd kanału przy stałym napięciu UDS zmniejsza się ze wzrostem napięcia bramki aż do całkowitego zablokowania kanału przy J7rrS = UT. Nachylenie charakterystyki ID(UGS)\UDS=mmt rośnie ze wzrostem -UDS, gdy -UDS < -UDSsat. Jest ono natomiast niezależne od UDS, gdy ? UDS > ?UDSsat. Napięcie UDSsa, stanowi granicę pomiędzy tzw. zakresem pentodowym tranzy­stora polowego, w którym prąd kanału nie zależy od napięcia UDS, i tzw. zakresem triodowym, w którym prąd kanału przy stałym napięciu bramki wzrasta wraz z napięciem drenu. W zakresie triodowym nachylenie charakterystyki /fl(C/Ds)li7cs=const maleje ze wzrostem ?UDS, osiągając wartość bliską zeru przy ? UDS = ?UDsfat.

Przy Uos 5= UT warstwy zaporowe złącza zachodzą na cały przekrój kanału na całej jego długości, zmniejszając na tyle przewodność kanału, że można uważać go za całkowicie zablokowany (rys. 5.48). Dlatego przy Uesgs UT prąd nie może przepływać przez kanał. /^ Przy U as < UT i UDS = UDSsat w górnej części kanału następuje zetknięcie się warstw zaporowych złączy. Nie powoduje to jednak zablokowania kanału, a jedynie zwiększa jego rezystancję i czyni ją na tyle zależną od napięcia drenu, że każde dalsze zwiększenie napięcia drenu zwiększa proporcjonalnie rDS, w rezultacie czego prąd drenu pozostaje stały, zależny jedynie od napięcia bramki ** d * d = W~DDSiat Przy dużych napięciach UDS i ?/GS, przekraczających wartości dopuszczalne dla danego tranzystora, może nastąpić przebicie złącza bramka-kanał, którego wynikiem, będzie wzrost prądu drenu i pojawienie się dużego prądu bramki.

TRANZYSTORY POLOWE Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ.
TRANZYSTORY MOS
W tranzystorach MOS, zwanych też MOSFET lub MISFET, powierzchnia półprzewodnikowa nad kanałem jest odizolowana od metalowej bramki warstwą die­lektryku. Zwykle jako dielektryk stosuje się dwutlenek krzemu SiO2, który wytwarza się bezpośrednio na powierzchni półprzewodnika techniką utleniania termicznego krzemu. Wytwarza się tranzystory z kanałem wbudowanym w trakcie procesu technolo­gicznego i tranzystory, w których kanał powstaje dopiero po odpowiednim spolaryzo­waniu bramki względem półprzewodnika. Ten drugi rodzaj jest nazywany tranzy­storami z indukowanym kanałem. Oba rodzaje tranzystorów mogą być wykonywane na podłożu półprzewodnikowym typu n lub typu p, a kanał ich jest zawsze półprzewodnikiem o przeciwnym typie przewodnictwa w stosunku do podłoża. Mechanizm działania wszystkich tranzystorów MOS jest bardzo podobny i za­sadza się przede wszystkim na powstawaniu warstwy inwersyjnej na powierzchni półprzewodnika pod warstwą dielektryku. Warstwa inwersyjna ma przeciwny typ przewodnictwa w stosunku do podłoża, w którym powstaje. Pełni ona funkcję kanału w tranzystorach z kanałem indukowanym oraz funkcję warstwy zmniejszającej przekrój, kanału w tranzystorach z kanałem normalnie wbudowanym. Drugim zjawiskiem grającym istotną rolę w mechanizmie działania tranzysto­rów MOS jest wzbogacanie i zubożanie kanału w swobodne ładunki. Mechanizm działania zostanie bardziej szczegółowo omówiony na przykładzie tranzystorów wykonanych w płytkach podłożowych typu n (rys. 5.50). W tranzystorach

tych pod elektrodą drenu i źródła wykonuje się wyspy p+, które są odizolowane od podłoża warstwami zaporowymi złączy p-n. Dzięki tym wyspom uzyskuje się dobre kontakty z kanałem. W tranzystorze z kanałem normalnie wbudowanym jest nim war­stwa typu p wytworzona pomiędzy wyspami p+. W tranzystorze z kanałem indukowanym jest nim warstwa inwersyjna powstające pod wpływem polaryzacji bramki pomię­dzy wyspami. Podłoża obu tranzystorów mogą być wyprowadzone na zewnątrz i podobnie jak w tranzystorach złączowych mogą pełnić funkcję drugiej bramki, z tym że oddzia­ływanie tych bramek na kanał nieco różni się od oddziaływania bramek właściwych. Dla uproszczenia opisu działania tranzystora MOS przyjmijmy, że podłoże jest na stałe połączone ze źródłem. Mechanizm indukowania kanału i wzbogacania go w takich tranzystorach na podłożu typu Ť przedstawiono na rys. 5.51. Ujemne napięcie UGS powoduje indukowanie ładunku ujemnego na bramce i identycznego ładunku dodatniego na powierzchni półprzewodnika pod bramką, gdyż układ bramka metalowa-dielektryk-półprzewodnik jest swoistym kondensatorem, a w kondensatorze ładunek zgromadzony na okładkach jest proporcjonalny do napięcia polaryzacji i pojemności. Dodatni ładunek wprowadzony do tworzącego się lub istnie­jącego kanału ma wartość Q+ = CUGS (5.95) gdzie C ? pojemność bramka-kanał. Zwiększa on koncentrację swobodnych dziur przy powierzchni półprzewodnika, co może być interpretowane jako wzrost prawdo­podobieństwa obsadzenia stanów pasma walencyjnego dziurami w tym obszarze i wyraża się wygięciem pasm dozwolonych energii w stosunku do poziomu Fermiego. To wygięcie jest większe w półprzewodniku typu n, w którym nie było kanału, niż w warstwie typu p będącej kanałem, ponieważ ten sam przyrost koncentracji dziur oznacza znacznie większy wzrost w obszarze donorowym niż w akceptorowym. Wzbogacenie warstwy powierzchniowej półprzewodnika w swobodne dziury doprowadza, jak widać, do wygięcia pasm dozwolonych energii i przekształca obszar przypowierzchniowy półprzewodnika donorowego w warstwę o przeciwnym typie przewodnictwa ? w warstwę inwersyjna oraz obszar przypowierzchniowy półprze­wodnika akceptorowego ? w warstwę równoważną silniej domieszkowanej. Warstwa inwersyjna w podłożu typu n jest zdolna do przewodzenia prądu po­między wyspami typup+, a więc w wyniku działania napięcia ujemnego UGS powstaje ? jest indukowany ? kanał typu p. Przy braku warstwy inwersyjnej przepływ prądu pomiędzy wyspami p+ nie jest możliwy, ponieważ jedno ze złączy p-n na granicy tych wysp jest spolaryzowane zaporowo przy obu możliwych biegunowościach napięcia UDS. Powstawanie i wzbogacanie kanału może być również interpretowane jako wynik działania sił pola elektrycznego poprzecznego do kanału. Siły tego pola ?wymiatają” z warstwy przypowierzchniowej swobodne elektrony i przyciągają do niej swobodne dziury, co doprowadza do inwersji przewodnictwa w tranzystorze z indukowanym kanałem oraz do wzbogacenia kanału w nośniki większościowe w tranzystorze z wbu­dowanym kanałem. Mechanizm zubożania kanału jest analogiczny do omówionego już mechanizmu wzbogacania. Występuje on w tranzystorach z kanałem wbudowanym i polega na indukowaniu w warstwie przypowierzchniowej kanału nośników mniejszościowych i jednoczesnym usuwaniu z tej warstwy przez siły pola poprzecznego do osi kanału nośników większościowych (rys. 5.52).

Prąd płynący przez kanał tranzystora MOS jest analogicznie jak w polowych tranzystorach złączowych zależny od napięcia UDS i rezystancji rDs. Charakterystyki prądowo-napięciowe tych tranzystorów są również analogiczne do polowych tranzy­storów złączowych (rys. 5.53).

MODELE TRANZYSTORÓW POLOWYCH
W projektowaniu i analizie układów elektronicznych na tranzystorach polowych ^najistotniejsze znaczenie mają model stałoprądowy i zmiennoprądowy małosygnałowy. Modelem stałoprądowym jest nieliniowy rezystor regulowany napięciem bramki (rys. 5.54). Właściwości modelu stałoprądowego najprościej opisują charakterystyki statyczne, które zwykle aproksymuje się następującymi wyrażeniami

W szczególnym przypadku wykorzystania tranzystorów MOS przy małych napięciach drenu zarówno dodatnich, jak i ujemnych wygodnie jest opisywać je rezy­stancją (rys. 5.55)

Model zmiennoprądowy małosygnałowy tranzystora polowego stanowi obwód rezystorowy ze sterowanym źródłem prądowym (rys. 5.56), odpowiednio połączony

z pojemnościami międzyelektrodowymi. Oddaje on wystarczająco dokładnie rozpro­szony w rzeczywistości charakter przestrzeni międzyelektrodowej. Uzasadnienie na występowanie sterowanego napięciem bramki źródła prądo­wego gmUgs i konduktancji gis znajdujemy w prostej linearyzacji charakterystyk prądowo-napięciowych. Charakterystyki te są funkcją napięć bramki i drenu, dlatego przyrost prądu drenu spowodowany zmianą napięcia bramki i drenu, analogicznie jak różniczka zupełnie może być zapisany wzorem

Przyjmując, że przyrost prądu drenu i zmiany napięć tranzystora są równe amplitudom składowych zmiennych tych wielkości, otrzymujemy

Równanie (S.lOOa) jest właśnie postacią analityczną obwodu gm Ug,+gds modelu tranzystora dla małych sygnałów m.cz. Elementy modelu małosygnałowego są zależne od punktu pracy tranzystora, co może stanowić zarówno korzystną cechę dla użytkownika, jak i pewne utrudnienie przy projektowaniu układów. Zależność transkonduktancji gm i konduktancji gd, (rys. 5.57) może być określona bezpośrednio z charakterystyk prądowo-napięciowych, z których otrzymuje się:

? dla zakresu triodowego

? dla zakresu pentodowego

Zależność pojemności międzyelektrodowych od punktu pracy nie daje się prosto ująć analitycznie. W tranzystorach złączowych pojemności CGS i CGD mogą być traktowane jako pojemności barierowe części złącza bramka-kanał, przy tym <7OS ? części okołoźródłowej, natomiast CDS ? części okolodrenowej. Grubość warstwy przejściowej złącza w pobliżu drenu jest większa niż w pobliżu źródła w normalnych warunkach pracy i dlatego Cos > CGD, chociaż przy braku po­laryzacji tranzystora pojemności te są prawie równe. Zależność ich od napięć polary­zacji w pierwszym przybliżeniu może być symbolicznie zapisana następująco

gdzie f(U) jest funkcją zbliżoną do zależności pojemności barierowej złącza p-n od napięcia. Pojemności Cas i CGD w tranzystorach MOS są skomplikowaną funkcją wielu czynników, a zwłaszcza jakości powierzchni półprzewodnika i jakości dielektryku. Przykładowo ilustruje to rys. 5.58.

Pojemność CDS w tranzystorach złączowych i MOS jest dużo mniejsza od pozo­stałych pojemności międzyelektrodowych i może być traktowana jako wielkość mało zależna od polaryzacji tranzystora.

PODSTAWOWE ZASTOSOWANIA TRANZYSTORÓW POLOWYCHTranzystory polowe znajdują zastosowanie przede wszystkim wówczas, gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego. Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej, woltomierzy i przełączników sterowanych bezprądowo. Druga grupa zastosowań obejmuje układy wykorzystujące takie właściwości tranzystorów polowych, jak: 1) niezależność prądu drenu od napięcia dren-źródło w zakresie pentodowym, 2) liniową zależność transkonduktancji od napięcia bramki, 3) dużą zależność prądu drenu zarówno od napięcia bramki, jak i drenu w zakresie triodowym. Do tej grupy zastosowań można zaliczyć m.in. stabilizator, wzmacniacz o regu­lowanym wzmocnieniu, układ mnożący i potencjometr bezstykowy. Wzmacniacze małych sygnałów m.cz. Schematy ideowe wzmacniaczy na różnych tranzystorach nieco różnią się ze względu na różną wartość napięcia progowego UT tych tranzystorów. We wszystkich przedstawionych wzmacniaczach (rys. 5.59, 5.60) zastosowano obwody automatyczne-

go przedpięcia Rs Cs. Pojemność Cs zwiera źródło tranzystora do masy dla składowych zmiennych. Na rezystorze Rs natomiast występuje spadek napięcia od składowej stałej prądu kanału, będący przedpięciem bramki względem źródła. To przedpięcie jest nie- wystarczające we wzmacniaczu na tranzystorze MOS z kanałem indukowanym i dlatego w tym wzmacniaczu zwiększa się je za pomocą dzielnika /?t, R2. Sygnał wejściowy przesuwa punkt pracy pomiędzy punktami l i 2, co daje znacznie większą zmianę napięcia drenu od zmiany napięcia bramki, a więc następuje wzmocnienie sygnału. Ujmując ilościowo proces wzmocnienia w prezentowanych układach należy zauważyć, że napięcie wejściowe zmienia potencjał bramki o amgs, a to powoduje zmianę prądu drenu o AfD w gmkuGS, co daje zmianę napięcia drenu o ahj,.; = ? rd&id, a więc wzmocnienie układu wynosi

Wyrażenie (5.104) wskazuje na możliwość prostej realizacji regulacji wzmocnienia na tranzystorach polowych. Transkonduktancja gm jest bowiem w zakresie pentodowym liniowa funkcją napięcia polaryzacji bramki. Wystarczy więc rezystor RG dołączyć do wyjścia źródła napięcia regulacyjnego, aby uzyskać wzmocnienie liniowo zależne od tego napięcia. W prezentowanych układach, podobnie jak we wszystkich zastosowaniach tranzystorów polowych, należy zapewnić właściwy obwód dla przepływu prądu bramki. Prąd ten jest wprawdzie bardzo mały, ale jednak przy braku drogi spływu powoduje dryft punktu pracy tranzystora, który może doprowadzić nawet do zablokowania wzmacniacza. Właśnie dla zapewnienia stabilnego przepływu prądu bramki łączy się ją z zaciskiem źródła zasilania za pomocą rezystora RG. Przy braku tego rezystora prąd bramki ładuje pojemność Cl5 co przesuwa punkt pracy o zmianę napięcia na tej po­jemności. Rezystor RG powinien mieć odpowiednio dużą wartość, ażeby nie niwelował zasadniczej zalety tranzystora polowego ? dużej rezystancji wejściowej. Nie może być ona jednak przesadnie duża, gdyż wówczas wahania prądu bramki powodowałyby

zbyt dokuczliwe wahania punktu pracy tranzystora. W celu uniknięcia tego zwykle przyjmuje się RG nie większe od 20+250 MflL *” Woltomierze prądu stałego (rys. 5.61 i 5.62) W prostym woltomierzu tranzystor polowy pełni funkcję elementu gwarantu­jącego dużą rezystancję wejściową. Wskaźnikiem napięcia może być miliamperomierz wychyłowy. Rezystor włączony szeregowo z bramką i kondensator o małej pojemności występujący w układzie z rys. 5.61b zabezpieczają tranzystor przed skutkami krótko­trwałego przepięcia. Jest to szczególnie istotne dla tranzystorów MOS, które mogą ulec uszkodzeniu w wyniku przepięcia spowodowanego nawet przypadkowym dot­knięciem bramki. Uklad Darlingtona Połączenie tranzystora polowego z tranzystorem bipolarnym, takie jak na rys. 5.63, daje układ charakteryzujący się bardzo dużą rezystancją wejściową i bardzo dużą transkonduktancją. Transkonduktancja układu Darlingtona wynosi

gdzie: gm ? transkonduktancją tranzystora polowego, /S0 ? zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora n-p-n. Stabilizator napięcia Zastosowanie tranzystora polowego w miejsce rezystora w najprostszym ukła­dzie stabilizatora napięciowego (rys. 5.64) wyraźnie poprawia”stałość napięcia wyjściowego przy zmianach napięcia wejściowego. Efekt taki otrzymuje się dlatego, że tranzy­stor polowy ze zwartą do źródła bramką w zakresie pentodowym jest elementem prze­wodzącym prąd stały niezależnie od wartości napięcia dren-źródło. Niezależnie więc od wartości napięcia wejściowego przy braku obciążenia stabilizatora w zakresie roboczym napięcie wyjściowe jest stałe, gdyż dioda stabilizacyjna pracuje w stałym punkcie pracy.

Uklad mnożący Układ mnożący na tranzystorach polowych (rys. 5.65) może być rozpatrywany analogicznie jak mostek Wheatstone’a. Rezystancje R wybiera się tak, aby były równe rezystancji zastępczej tranzystora przy napięciach UDS = UGS ~ O, tzn,

Przy tym, dla małych napięć drenu (UDS X 0), napięcie wyjściowe może być zapisane wzorem

gdzie ArDS ? przyrost rezystancji zastępczej tranzystora spowodowany zmianą napię­cia bramki przy uds ~ O Dlatego napięcie wyjściowe układu jest proporcjonalne do iloczynu napięć wejścio­wych

Układ mnoży dokładnie przy bardzo małych napięciach. Przy większych napięciach pojawiają się błędy mnożenia, które można jednak ograniczyć do 10% przez utrzymanie punktów pracy tranzystorów w zakresie triodowym. Przełącznik bezprądowy (rys. 5.66) Przez skokową zmianę potencjału bramki względem źródła można dokonywać zwierania elementu w obwodzie elektrycznym bez wprowadzania dodatkowego prądu do zakłóconej gałęzi obwodu. Trzeba tylko spełnić przy tym warunek

gdzie: >”dson ? rezystancja włączenia dren-źródło, tj. minimalna osiągalna rezystancja kanału tranzystora, Z ?impedancja elementu zwieranego; w przykładzie Z = R2. Parametr rDSON w wytwarzanych tranzystorach zawiera się w szerokim prze­dziale wartości od 5 do kilkuset omów. Potencjometr bezstykowy Dla niewielkich napięć rezystancja kanału bardzo znacznie zależy od napięcia bramki, co leży u podstaw zastosowania tranzystora polowego w układzie potencjo­metru bezstykowego (rys. 5.67). Układ może działać i bez rezystorów Rlt R2, lecz zastosowanie ich jest korzystne, gdyż zwiększa liniowość zmian rezystancji zastępczej tranzystora. Parametry krajowego tranzystora polowego BF245 1. Rodzaj ? złączowy z kanałem typu n 2. Zastosowanie ? wzmacniacze m.cz. i w.cz. o niskim poziomie szumów i dużej impedancji wejściowej 3. Parametry dopuszczalne (25°C)