8.B Félvezetı áramköri elemek Unipoláris tranzisztorok Értelmezze az unipoláris tranzisztorok felépítését, mőködését, feszültség- és áramviszonyait, s emelje ki a térvezérlés szerepét! Rajzolja fel a legfontosabb közös source-u jelleggörbéket, az y-paraméteres helyettesítı képet, a FET és a MOSFET jelképi jelöléseit! Elemezze a jelleggörbék, a paraméterek és a helyettesítı képek közötti kapcsolatrendszert! Mutassa be az unipoláris tranzisztorok jellemzıit, alapkapcsolásait s térjen ki a mőszaki katalógusadatokra és határértékekre! Az unipoláris tranzisztorok felépítése, fizikai mőködése Unipoláris tranzisztorok Azokat a tranzisztorokat, amelyeknek áramát csak egyetlen fajta töltéshordozó biztosítja, a szakirodalomban unipoláris vagy térvezérléső tranzisztoroknak nevezik. Rövidített elnevezésük FET, amely az angol - Field Effect Transistor - kifejezés szavainak kezdıbetőit tartalmazza. Mőködésük egy félvezetı kristályból álló csatorna vezetıképességének külsı elektromos tér segítségével való változtatásán alapszik. Az elektromos teret egy kapunak nevezett vezérlıelektróda segítségével hozzák létre a csatorna keresztmetszetében. A kapuelektróda felépítésének függvényében, megkülönböztetünk záróréteges (röviden JFET) és szigetelt kapuelektródás (MOSFET) térvezérléső tranzisztorokat. A térvezérléső tranzisztorok elınyös tulajdonságai - a bipoláris tranzisztorokhoz viszonyítva: a nagy értékő bemeneti ellenállás, egyszerő gyártástechnológia, és kisebb helyigény az integrált áramkörök szerkezetében. A FET-ek felhasználása A kapuelektróda felépítésének függvényében, megkülönböztetünk záróréteges (röviden JFET) és szigetelt kapuelektródás (MOSFET) térvezérléső tranzisztorokat. A térvezérléső tranzisztorok elınyös tulajdonságai - a bipoláris tranzisztorokhoz viszonyítva: a nagy értékő bemeneti ellenállás, egyszerő gyártástechnológia, és kisebb helyigény az integrált áramkörök szerkezetében. A feszültségvezérelt eszközök Ha a csatorna két elektródájára feszültséget kapcsolunk U S és a gate elektróda feszültsége U nulla, a két PN-átmenet záróirányú polarizálást kap. Az N-típusú csatornában a drain elektródától az S source elektróda felé áramló elektronok árama U = 0 feszültségnél a legnagyobb, mivel ebben az esetben a csatorna szélessége maximális. Ezen tulajdonsága miatt a záróréteges térvezérléső tranzisztorokat önvezetıknek is nevezzük. A zárórétegek szélessége, - amelyek meghatározzák a csatorna keresztmetszetét - annál nagyobb, minél nagyobb a záróirányban ható feszültség. Minél nagyobb a zárófeszültség annál kisebb a vezetıréteg keresztmetszete, tehát az ellenállása is. A csatorna-ellenállás növekedése a csatornán folyó I áram csökkenését eredményezi, amely sajátságos esetben nulla is lehet. Az elektronok áramlása csak a csatornán keresztül lehetséges, mivel a zárórétegekben kialakult tértöltéső zónák elektromos erıtere megakadályozza mozgásukat ezekben a tartományokban. A zárórétegek szélessége az U feszültség segítségével vezérelhetı. A szükséges vezérlıteljesítmény minimális értékő, mivel a kisebbségi töltéshordozók mozgásának eredményeképpen egy elhanyagolható nagyságú záróirányú áram folyik (10 8 10 10 A). Az U feszültségnek a vezérelhetıség biztosítása miatt N csatornás JFET esetén negatívnak, míg P csatornás eszköz esetén pozitívnak kell lennie (a source elektródához viszonyítva). Hasonló módon az U S feszültség N csatornás JFET esetén pozitív, P csatornás JFET esetén pedig negatív (a source elektródához képest). 1
N-csatornás JFET elvi felépítése JFET A záróréteges térvezérléső tranzisztorok (JFET) csatornáját a félvezetı térfogatában két záróirányban polarizált PNátmenet határolja. A JFET tranzisztorokat N és P csatornás változatban készítik. A csatorna 10 100-szor hosszabb, mint a vastagsága. A csatorna két végére fémezéssel kapcsolt elektródák a drain (nyelı) és az S source (forrás). A vezérlıszerepet játszó elektróda a G gate (kapu). A JFET tranzisztor szerkezetét egy nagyon vékony, gyengén szennyezett réteg (csatorna) alkotja, amely két erısen szennyezett, a csatornával ellentétes szennyezettségő félvezetı réteg között helyezkedik el. Az egyik PN-átmenet a gate és a csatorna között, míg a másik átmenet a félvezetı szubsztrátnak nevezett többi része és a csatorna között helyezkedik el. Ha a csatorna két elektródájára feszültséget kapcsolunk (U S ) és a gate elektróda feszültsége (U ) nulla, a két PNátmenet záróirányú polarizálást kap. Az N-típusú csatornában a drain elektródától az S source elektróda felé áramló elektronok árama U = 0 feszültségnél a legnagyobb, mivel ebben az esetben a csatorna szélessége maximális. Ezen tulajdonsága miatt a záróréteges térvezérléső tranzisztorokat önvezetıknek is nevezzük. A zárórétegek szélessége, - amelyek meghatározzák a csatorna keresztmetszetét - annál nagyobb, minél nagyobb a záróirányban ható feszültség. Minél nagyobb a zárófeszültség annál kisebb a vezetıréteg keresztmetszete, tehát az ellenállása is. A csatorna-ellenállás növekedése a csatornán folyó I áram csökkenését eredményezi, amely sajátságos esetben nulla is lehet. Az elektronok áramlása csak a csatornán keresztül lehetséges, mivel a zárórétegekben kialakult tértöltéső zónák elektromos erıtere megakadályozza mozgásukat ezekben a tartományokban. A zárórétegek szélessége az U feszültség segítségével vezérelhetı. A szükséges vezérlıteljesítmény minimális értékő, mivel a kisebbségi töltéshordozók mozgásának eredményeképpen egy elhanyagolható nagyságú záróirányú áram folyik (10 8 10 10 A). Az U feszültségnek a vezérelhetıség biztosítása miatt N csatornás JFET esetén negatívnak, míg P csatornás eszköz esetén pozitívnak kell lennie (a source elektródához viszonyítva). Hasonló módon az U S feszültség N csatornás JFET esetén pozitív, P csatornás JFET esetén pedig negatív (a source elektródához képest). N- csatornás JFET zárórétegei N-csatornás JFET rajzjele P-csatornás JFET rajzjele 2
Polarizáló feszültség N-csatornás és P-csatornás esetén Karakterisztikák vizsgálata Mivel a JFET bemeneti vezérlıárama gyakorlatilag nullának tekinthetı, nem határozható meg bemeneti jelleggörbe. Az átviteli jelleggörbe esetén a gate-source feszültségtartomány negatív. Azt a gate-source feszültséget, amelynél az I draináram nulla, U P elzáródási feszültségnek nevezik. Az elzáródási feszültségnél nagyobb gate-source feszültség esetén U > U P a tranzisztor csatorna-áramának változása, a következı egyenlet szerint történik: 2 U = I I S UUP 1 Az I S az a draináram, amely U = 0 feszültségnél folyik. Ez a záróréteges térvezérléső tranzisztoroknál elérhetı maximális értéknek tekinthetı, mivel pozitív gate-source feszültséget használva erıteljesen megnı a gate-áram. A kimeneti jelleggörbék, egyenként egy adott U gate-source feszültség mellett érvényesek. Megfigyelhetı, hogy az U S drain-source feszültség növekedésével nı az I draináram és természetesen a drain elektróda közelében egyre jobban csökken a csatorna keresztmetszete. Az U S =U k (könyökfeszültség) feszültségértéknél, a csatorna keresztmetszete a drain közelében eléri minimumát és ennek következtében a feszültség további növelése nem befolyásolja számottevıen I értékét, amely elér egy telítési értéket. A legnagyobb I érték a fizikai mőködésnek megfelelıen az U = 0 feszültséghez tartozik. A kimeneti karakterisztikát két tartományra oszthatjuk: elzáródásmentes tartomány U < U k ; Kis értékő U S feszültségnél I közelítıen egyenesen arányos az U S feszültséggel. elzáródásos tartomány U S > U k ; Itt a tranzisztor drainárama csak az U gate-source feszültség függvénye. Az N-csatornás JFET kimeneti karakterisztikája Az N-csatornás JFET átviteli jelleggörbéje A P-csatornás JFET jelleggörbéje Meredekség, differenciális kimeneti ellenállás, elzáródási feszültség, záróirányú áramok Egy P munkapontra vonatkoztatva a JFETmeredekségét (S), az átviteli jelleggörbe meredekségével definiáljuk: S = U S = állandó, 3
ha U S = állandó (tipikus értéke 3-10 mv), ahol a draináram változása és a gate-feszültség változása. A drain-áramot kizárólag az U feszültség határozza meg, U S -tıl csak kismértékben függ. Az I áram, U S - tıl való függését a differenciális kimeneti ellenállás r S határozza meg: r S = U állandó (tipikus értéke r S = 80 100kΩ ). S = Belsı feszültségerısítési tényezı: µ = S I = állandó A három paraméter közötti kapcsolatot a Barkhausen egyenlet adja meg: µ = S r S A bemeneti ellenállás r nagyon nagy és közelítıen állandó értéket képvisel: r G = 10 10 10 14 Ω Az U elzáródási feszültség az a gate-feszültség, amelynél a draináram nulla; jellemzı értéke: U p = 1,5 4,5V (N csatornás JFET esetén). A záróirányú áramok (amelyeket a kisebbségi töltéshordozók hozzák létre) a JFET-ek esetén csekély értéket képviselnek: I G0 - gate-záróáram; tipikus értéke I G0 = 5 na I 0 - drain-záróáram; tipikus értéke I 0 = 20 na. JFET katalógusadatai JFET legfontosabb határértékei A záróréteges térvezérléső tranzisztorok határértékei nagyon hasonlítanak a bipoláris tranzisztorok határadataihoz. Túllépésük a tranzisztor tönkremeneteléhez vezet. A JFET legfontosabb határértékei, a következık: U Smax : - maximális drain-sourcefeszültség; tipikus értéke: U Smax = 30V, U max : - maximális gate-source feszültség; tipikus értéke: U max = 20V, I max : - maximális draináram; tipikus értéke: I max = 25mA P tot max : - maximális veszteségi teljesítmény; tipikus értéke: P tot max = 300mW, T j max : - maximális záróréteg-hımérséklet; tipikus értéke: T j max = 130 0 C A megadott tipikus értékek, kisjelő Ncsatornás JFET-ekre érvényesek. A veszteségi teljesítmény a JFET esetén, - mivel I G = 0 - az I draináram és az U S drain-source feszültség szorzata: P tot = U S I 4
MOSFET tranzisztorok felépítése, mőködése A MOS típusú térvezérléső tranzisztorok elnevezése felépítésükkel függ össze. A MOS Metal-Oxid-Semiconductor jelentése, fém-oxid-félvezetı. A MOSFET tranzisztorok lehetnek felépítésüktıl függıen növekményes (önzáró) és kiürítéses (önvezetı) típusúak. Mindegyik változat elıállítható N- és P csatornás kivitelben. Növekményes MOSFET tranzisztorok felépítése, mőködése N-csatornás, növekményes MOSFET elvi felépítése N-csatornás, növekményes MOSFET rajzjele A vezetıcsatorna képzıdése N-csatornás növekményes MOSFET esetén MOSFET-ek A tranzisztor aktív része egy P-típusú, gyengén szennyezett Si alapkristályból áll, amelyet szubsztrátnak neveznek. Az alapkristályban két erısen szennyezett P-típusú vezetı szigetet alakítanak ki, amelyek csatlakozással ellátva a tranzisztor S source- és drain-elektródáját alkotják. A kristály külsı felületén termikus oxidációval nagyon jó szigetelı tulajdonsággal rendelkezı szilícium-dioxid SiO2 fedıréteget növesztenek, amelyen az S és csatlakozások számára ablakot hagynak. A SiO2 szigetelırétegre vékony fémréteget visznek fel, pl. párologtatással; ez lesz a gatevezérlıelektróda, amely ily módon elszigetelıdik a kristálytól. A szubsztrát kivezetését általában a tokon belül összekötik az S source-elektródával, vagy külön kivezetésként a tokon kívülre vezetik. Ha a gate-elektróda szabadon van, bármilyen polaritásúfeszültséget kapcsolunk a drain és a source közé a tranzisztor zárva marad, azaz nem fog áram folyni a két kivezetés között. A gate-elektródára pozitív feszültséget kapcsolva a source-hoz képest a szubsztrátban elektromos tér keletkezik A külsı elektromos tér hatására a szubsztrátban található kisebbségi töltéshordozóelektronok közvetlenül a SiO2 szigetelıréteghez vándorolnak és az S és elektróda között egy N-típusú vezetıcsatornát alkotnak. Az J draináram ilyen feltételek mellett megindul. A csatorna vezetıképessége az U gate-source feszültséggel szabályozható. Minél nagyobb U értéke, a csatorna vezetıképessége annál nagyobb és következésképpen annál nagyobb I értéke is. Mivel a vezérlést elektromos tér hozza létre, hasonlóan a JFET-hez vezérlıteljesítmény gyakorlatilag nem szükséges. Az I draináram az U gate-source feszültséggel teljesítmény felvétele nélkül vezérelhetı. Az ismertetett MOSFET típusnak az a jellegzetessége, hogy U = 0 feszültségnél le van zárva, emiatt önzáró 5
tranzisztornak is nevezik. A növekményes elnevezés arra a tulajdonságára utal, hogy a csatorna elektrondúsulás (P csatornás változat esetén lyukak) révén keletkezik pozitív gate-feszültség jelenlétében. Kiürítéses MOSFET tranzisztorok N-csatornás kiürítéses (önvezetı) MOSFET elvi felépítése N-csatornás kiürítéses (önvezetı) MOSFET feszültségviszonyai Ha az SiO2 szigetelıréteg alatti szubsztrátban gyenge N-típusú szennyezést valósítanak meg (N csatornás változat) akkor vezetıképes összeköttetés lép fel az S és között anélkül, hogy a gate-elektródára feszültséget kapcsolnánk. Az ilyen felépítéső tranzisztort önvezetı MOSFET-nek nevezik. Az önvezetı MOSFET esetén I 0,ha U=0. Vezérlése mind pozitív, mind negatív gate-feszültséggel lehetséges. Ennek megfelelıen két üzemmódban mőködhet: dúsításos üzemmód kiürítéses üzemmód. Kiürítéses MOSFET tranzisztorok felépítése, mőködése dúsításos üzemmód U > 0, amikor a pozitív gate-feszültség a csatorna elektronokkal való feldúsulásához és nagyobb vezetıképességéhez vezet; kiürítéses üzemmód U < 0, amikor a negatív gate-feszültség a csatorna elektronokban való elszegényesedéséhez és vezetıképességének csökkenéséhez vezet. Mivel a kiürítéses üzemmódot gyakrabban alkalmazzák, ezért ezeket a tranzisztorokat kiürítéses típusúnak nevezik. Az eddigiek során tárgyalt MOSFET-ek N csatornás kivitelőek voltak. Természetesen a mőködési elvek maradéktalanul érvényesek a P csatornás típusokra is, ha megfordítjuk az alkalmazott feszültségek polaritását. MOSFET Táblázat katalógusból 6
N-csatornás növekményes MOSFET jelleggörbéi N-csatornás növekményes MOSFET átviteli jelleggörbék Az átviteli jelleggörbe S meredeksége egy P munkapontban a MOSFET vezérlési tulajdonságait jellemzi: S = U S = állandó (jellemzı érték: 5 12mA/V). a draináram változása és a gate-feszültség változása, ha U S állandó. N-csatornás növekményes MOSFET kimeneti jelleggörbék A kimeneti jelleggörbe meredeksége egy P munkapontban, az ebben a pontban érvényes, r S differenciális kimeneti ellenállást adja meg: r S = U állandó (jellemzı érték: r S 10 50kΩ), S = Ahol S a drain-feszültség változása és a draináram változása, ha U állandó. Felépítésének megfelelıen U = 0 V feszültségen egy bizonyos értékő I draináram folyik. Ha U > 0, akkor a csatorna vezetıképessége és a draináram nı. A kimeneti jelleggörbék magasabban helyezkednek el. Ha U < 0, akkor a csatorna vezetıképessége és a draináram csökken. Az U S feszültség növelésével az I draináram egy telítési értéket ér el. Ez a jelenség a gate és a drain közelében lévı csatorna potenciálkülönbségének csökkenésével magyarázható, amely a csatorna elektronokban való szegényedéséhez vezet. Az elektronok számának csökkenése a drain közelében lévı csatorna elvékonyodásához vezet, mint a JFET-ek esetében. Ez a jelenség az I áram, I S értékre való telítıdését eredményezi. N-csatornás növekményes MOSFET átviteli jelleggörbéje N-csatornás növekményes MOSFET kimeneti jelleggörbéje N-csatornás kiürítéses MOSFET jelleggörbéi A feszültség és áramviszonyok A MOSFET eszközök jellemzésére kétféle jelleggörbét használnak: Kimeneti jelleggörbék; az I és U S értékei közötti kapcsolatot adja meg. Vezérlı jelleggörbék; az I értékeinek az U feszültségtıl való függését ábrázolják. Az N és P csatornás MOSFET-ek jelleggörbéi megegyeznek, csupán a feszültség és áram elıjelét kell megváltoztatni. A karakterisztikák hasonlóak a bipoláris tranzisztorok karakterisztikáihoz, a drain a kollektornak, a source az emitternek, a gate pedig a bázisnak felel meg. Az U S feszültség növelésével az I áram egy telítési értéket ér el. Ez a jelenség a gate és a drain közelében lévı csatorna potenciálkülönbségének csökkenésével magyarázható, amely a csatorna elektronokban való elszegényedéséhez vezet. Ez a csatorna elvékonyodásához vezet, ami az I I S értékre való telítıdését okozza. 7
A MOSFET eszközök egyik hátránya, hogy a gate és a szubsztrát között fellépı, ún. C bemeneti kapacitás már viszonylag kis feszültségeken - 50 V körüli értéken - átüt és a tranzisztor maradandóan károsodik. A bemeneti kapacitás jellemzı értéke: C 2 5pF A nagyon nagy bemeneti ellenállás miatt a tranzisztor átütését okozó feszültség igen könnyen felléphet. Nagyon veszélyes a statikus töltés, ami a tranzisztort már érintéskor is átütheti. Ennek elkerülése céljából a MOSFET-eket rövidre zárt csatlakozásokkal szállítják és tárolják. Áramkörökbe való beépítésükkor földelik a munkaasztalt, a készüléket és a forrasztópákát. A MOSFET-ek védelme céljából a gate és a szubsztrát közé egyes esetekben Zener-diódát építenek be, ami természetesen negatívan befolyásolja az eredı bemeneti ellenállás értékét. A MOSFET-ek gate-árama gyakorlatilag nullának tekinthetı, mégis értéke adott U és U S feszültségeken és adott hımérsékleten jellemzi a tranzisztor minıségét. Ezt az I szivárgási gate-áram fejezi ki, amelynek jellemzı értéke pa nagyságrendő. I 0,1 10pA A MOSFET lezárt állapotában is folyik egy nagyon kis értékő draináram, amelynek értéke a tranzisztor zárási jóságát jellemzi. Ez az áram az I off zárási draináram, melynek tipikus értékei különbözı hımérsékleten: I off 10 500pA; Tj=25 0 C záróréteg-hımérsékleten, I off 10 100pA; Tj=125 0 C záróréteg-hımérsékleten. A különbözı gyártók adatlapjain meg szokták adni a MOSFET-ek drain-source elektródái között fellépı egyenáramú ellenállásait, vezetési és zárási állapotban adott mérési feltételek mellett. R Son - vezetési irányú ellenállás; tipikus értéke: R Son 200Ω; R Sof f - záróirányú ellenállás; tipikus értéke: R Soff 10 10 Ω; N-csatornás kiürítéses MOSFET átviteli jelleggörbéje N-csatornás kiürítéses MOSFET kimeneti jelleggörbéje MOSFET-ek határértéke A határadatok túllépése a MOSFET-ek maradandó károsodásához vezet. A legfontosabb határértékek a következık: U Smax - maximális drain-sourcefeszültség; tipikus értéke: U S 40V U max - maximális gate-source feszültség; tipikus értéke: U 10V I max - maximális drain-áram; tipikus értéke: I max 50mA P tot max - maximális veszteségi teljesítmény; jellemzı értéke: P tot max 300mW T j max - maximális záróréteg-hımérséklet; jellemzı értéke: T j max 150 0 C A megadott jellemzı értékek kiürítéses, N csatornás MOSFET esetén érvényesek. A MOSFET veszteségi teljesítménye a JFET-tel azonos módon számítható: P tot = U S I 8
Térvezérléső tranzisztorok alapkapcsolásai A térvezérléső tranzisztorokat leggyakrabban erısítıkben, kapcsolófokozatokban és oszcillátorokban alkalmazzák. A kis jelő típusok nagy bemeneti ellenállása, csekély saját zaja és magas határfrekvenciája nagyon kis szintő jelek erısítését teszi lehetıvé széles frekvenciatartományban. A teljesítmény MOSFET-ek kapcsolási ideje egy nagyságrenddel kisebb, az azonos teljesítményő bipoláris tranzisztorokénál és a szükséges vezérlıteljesítmény minimális értéket képvisel. A bipoláris tranzisztoros kapcsolásokhoz hasonlóan a térvezérléső tranzisztoros áramköröknél is háromféle erısítıalapkapcsolás lehetséges: source-kapcsolás, vagy földelt source-ú kapcsolás; a bipoláris tranzisztor emitterkapcsolásának felel meg, gate-kapcsolás, vagy földelt gate-ő kapcsolás; a bipoláris tranzisztor báziskapcsolásának felel meg, drainkapcsolás, vagy földelt drain-ő kapcsolás; a bipoláris tranzisztorok kollektorkapcsolásának felel meg. Térvezérlési tranzisztorok gyakorlatban A gate-kapcsolást ritkán használják (általában csak magas frekvencián), mivel a nagyon nagy gate-csatornaellenállás a gyakorlatban nem használható fel elınyösen. Admittancia paraméterek a source- és a drain-kapcsolásokra vonatkozólag Mindegyik térvezérléső tranzisztoros alapkapcsolás is négypólusnak tekinthetı, ezért a kisjelő viselkedése a négypólusok elmélete alapján leírható és vizsgálható: a négy, egymástól független paraméterrel (a be- és kimeneti feszültséggel és árammal) jellemezhetı. A paraméterek közötti kapcsolatot a karakterisztikus egyenletek írják le. A térvezérléső tranzisztorokat háromféle alapkapcsolásban használhatjuk fel: Source-kapcsolásban, rain-kapcsolásban, Gate-kapcsolásban. Az alapkapcsolásokban csak a paraméterek értékei különbözıek, az egyenletrendszerek és a helyettesítı képek azonosak. A térvezérléső tranzisztorok jellemzésére a legalkalmasabbak az admittancia és az inverz hibrid paraméterek. Figyelembe kell venni, hogy a térvezérléső tranzisztorok gate-árama elhanyagolható mértékő (i G 0), ami a nagyon nagy bemeneti ellenállásuknak a következménye 9
Az y paraméterek Meredekség: y Térvezérléső tranzisztorok admittancia paraméteres helyettesítése = S = 21 U S = állandó. Kimeneti ellenállás: 1 y 22 S = rs = U = állandó Belsı feszültségerısítés: Nincs y paramétere, értéke a Barkhausen- egyenletbıl számítható 21 µ = S rs = y21 =. y22 y22 1 y. A d paraméterek A térvezérléső tranzisztorok paraméterei megadhatók d paraméterekkel is. A d paraméteres helyettesítı kép az y paramétereshez hasonló. Belsı feszültségerısítés: d S 21 = µ = I = állandó. Kimeneti ellenállás: d S = rs = U = állandó 22. Meredekség: Nincs d paramétere, értéke a Barkhausen- egyenletbıl számítható d 21 S = µ =. r d S 22 10