View
13
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
2
Spojni tranzistor sa efektom polja (JFET)
• Bez upotrebe izolatora (SiO2) - koristeći pn spojeve.
• Spojni tranzistor sa efektom polja (Junction Field-Effect
Transistor-JFET) sastoji se od jednog bloka n tip poluvodiča
i dva pn spoja koji formiraju vrata (NJFET).
3
• Promjena širine kanala upravlja otporom vodljivog kanala
(preko modulacije širine osiromašenog sloja, kojim je
okružen pn spoj između vrata i kanala).
• U svojoj linearnoj oblasti karakteristika, JFET se može
predstaviti kao naponom upravljan otpor:
• - specifični otpor oblasti kanala
• L- dužina kanala
• W- širina kanala između dvije osiromašene oblasti pn spoja
• t - dubina kanala
• Kada se priključi napon između izvora i odvoda, otpor
kanala određuje struju preko Ohmovog zakona.
W
L
tRCH
4
A) Pri nultoj polarizaciji izvor-odvod, razmotrićemo ponašanje JFET-a, u zavisnosti od iznosa napona polarizacije vrata.
a) Pri naponu uGS=0 :između izvora i odvoda postoji vodljivi kanal i bez naponske polarizacije vrata.
5
b) Dovođenjem napona koji inverzno polarizira diodu
vrata-izvor (uGS<0), doći će do proširivanja osiromašenog
sloja - smanjenja širine kanala.
• JFET se ponaša kao tranzistor u smanjujućem režimu.
• Širina kanala je sada smanjena na iznos W´<W.
• Spoj vrata-izvor je inverzno polariziran, struja vrata je
jednaka inverznoj struji pn spoja, iG~0
6
c) Za veće vrijednosti napona uGS, širina kanala nastavlja da se smanjuje, povećavajući otpor u oblasti kanala- da bi se JFET doveo u stanje kočenja (OFF), na vrata mora biti doveden negativan napon.
• Kada negativni napon uGS dostigne vrijednost napona„gnječenja“(VP), vodljivi kanal je potpuno isčezao.
• Tada otpornost kanala postaje beskonačno velika.
• Dalje povećanje negativnog napona ne mijenja stanje tranzistora ali iznos ovoga napona ne smije preći Zenerov probojni napon.
7
B) Polarizacijom odvod-izvor pozitivnim naponom uDS uz fiksni napon (uGS<0), postižu se sljedeći efekti:
a) Za male vrijednosti napona uDS, otporni kanal povezuje izvor i odvod:
• JFET radi u svojoj linearnoj oblasti i struja odvoda zavisiod napona uDS.
• Inverzna polarizacija spoja vrata-kanal je veća na kraju kanala uz odvod, pa je osiromašena oblast šira na dijelu uz odvod, nego na dijelu uz izvor.
8
b) Za veće vrijednosti napona uDS, osiromašena oblast na
odvodu postaje još šira dok se kanal ne „zgnječi”.
• Kada kanal jednom uđe u neprovodno stanje, struja odvoda
odlazi u zasićenje, kao i kod MOSFET-a.
• Elektroni se ubacuju u osiromašenu oblast i putuju ka
odvodu pod uticajem električnog polja.
9
c) Za velike iznose napona uDS tačka „gnječenja“ se
pomjera prema izvoru, skraćujući dužinu otpornog
kanala, čime se postiže modulacija dužine kanala
na isti način kao i kod MOSFET-a.
10
• Mada matematički iste, jednačine za JFET se obično pišu u
nešto drukčijem obliku od onih za MOSFET.
1) Za oblast zasićenja karakteristika MOSFET-a, napon
praga VTN će biti zamjenjen sa naponom „gnječenja“ (VP):
• U prethodne jednačine se može, kao i kod MOSFET-a,
uključiti koeficijent modulacije .
2 2 2
2
2
5
( ) ( ) (1 )2 2
( )2
(1 ) ( ) 0 (*)
25 ;0
10 100
n n GSDS GS P P
P
nDSS P
GSDS DSS DS GS P
P
P
DSS
K K ui u V V
V
KI V
ui I za u u V
V
za
V V V
A I A
11
2) Linearna oblast rada JFET-a, na izlaznoj karakteristici.
• Može se izvesti izraz za struju odvoda, na osnovu
jednačina za MOSFET u linearnoj oblasti rada zamjenom
vrijednosti Kn (preko IDSS) i VTN sa VP:
• Jednačine (*) i (**) predstavljaju matematički model n-
kanalnog JFET-a. Izlazne karakteristike JFET-a, prikazane
su na slici.
PGSPGSDSDSDS
PGS
P
DSSDS VuiVuuzau
uVu
V
Ii )()
2(
2
2
0)((**))1( 2 PGSDSP
GSDSSDS Vuuza
V
uIi
PGSPGSDSDSDS
PGS
P
DSSDS VuiVuuzau
uVu
V
Ii )((*))
2(
2
2
2
2
)/(2
)(2
PDSSn
Pn
DSS
VIK
VK
I
13
• P-kanalna verzija JFET-a se proizvodi sa zamijenjenim oblastima n i p tipa. Kao i kod MOSFET-a, smjer strujeodvoda u p kanalnom uređaju je suprotan u odnosu na struju u n-kanalnom uređaju.
• Općenito, struktura JFET-a ima unutrašnju simetriju, kao što je to bio slučaj i kod MOSFET-a.
• Napon VP ne zavisi od napona na izvodima.
• Ponašanje JFET-a je najbliže ponašanju MOSFET-a u smanjujućem režimu i JFET je polariziran kao MOSFET u smanjujućem režimu.
• Konstruktori krugova sa JFET-om moraju osigurati da dioda vrata-kanal bude inverzno polarizirana.
• Međutim, u nekim poluvodičkim krugovima, koristi se direktna polarizacija diode vrata. Direktno provođenje diode vrata je iskorišteno za stabilizaciju amplitude u oscilatornim kolima.
• Kapaciteti vrata-izvor i vrata-odvod JFET-a su određeni kapacitetom osiromašenog sloja u inverznoj polarizaciji pnspoja koji formira vrata tranzistora, slično kako je to razmotreno kod dioda.
14
Poređenje MOSFET-a. JFET-a i bipolarnog
tranzistora (BT-a)A) MOSFET-ovi imaju između vrata i podloge ubačen sloj
silicijumskog dioksida, koji predstavlja vrlo kvalitetan izolator.
• Napon na vratima upravlja koncentacijom nosilaca naboja kroz kanal, koji se formira između izvora i odvoda.
• Spoj izvora je uvijek konstrukcijom spojen za podlogu (dioda izvora je bez polarizacije) a spoj odvoda sa podlogom mora biti stalno inverzno polariziran.
• Oni se priozvode u dvije verzije sa oba tipa kanala (n i pkanalom).
• Kod povećavajućeg tipa, napon između vrata i izvora mora biti veći od napona praga da se uspostavi provodni kanal između izvora i odvoda.
• Kod smanjujućeg tipa, kanal je ugrađen u tranzistor tokom prioizvodnje i tranzistor vodi i kada nije doveden naponizmeđu vrata i podloge.
15
B) JFET-ovi koriste pn spoj za upravljanje otporom
provodnog kanala.
• Napon između vrata i izvora modulira širinu osiromašene
oblasti i time mijenja širinu oblasti kanala.
• JFET-ovi se mogu priozvoditi sa n ili p tipom kanala, ali zbog
svoje strukture, oni rade kao tranzistori smanjujućeg tipa.
C) Izlazne karakteristike
• Mada su MOSFET i JFET različite strukture, njihove i-u
karakteristike su vrlo slične i sadrže tri oblasti rada:
1) u oblasti kočenja izlaznih karakteristika, provodni kanal
više ne postoji i struja kroz izvode je jednaka nuli;
2) Kada radi u linearnoj oblasti izlaznih karakteristika FET se
uglavnom koristi kao naponom upravljani otpornik
„transfer resistor“. Pri malim vrijednostima napona uDS,
uglavnom su linearni odnosi između struje odvoda i
napona odvod-izvor.
16
3) Kada se vrijednost napona odvod-izvor poveća iznad
vrijednosti napona „gnječenja“, struja odvoda FET-a više
nije zavisna od napona odvod-izvor.
• Ona je tada zasićena i FET radi u oblasti zasićenja svojih
karakteristika sa strujom koja je približno konstantna.
Poređenje BT-a i FET-a:
1. Provođenje struje
• Kod BT-a u provođenju struje kroz tranzistor
učestvuju nosioci naboja oba znaka (elektroni i
šupljine).
• Kod FET-a u provođenju struje kroz tranzistor
učestvuju samo nosioci naboja jednog znaka (ili
elektroni ili šupljine).
17
2. Temperaturna osjetljivost
• FET je manje osjetljiv na promjene temperature od BT-a
3. Ulazni otpor
• Ulazni otpor FET-a je reda G a kod BT-a je reda stotina .
4. Upravljivost
• FET je upravljan naponom dok je BT upravljan strujom.
5. Šum
• Šum koji generira sam tranzistor kod FET-a je manji nego kod BT-a
6. Tehnološka izvedba
• FET se lakše tehnološki prizvodi od BT-a.
18
Ostale tranzistorske strukture
• MESFET je struktura koja po svojoj konstrukciji liči
MOSFET-u, a po načinu rada je bliža JFET-u.
• Izolacion sloj od oksida kod MESFET-a je izostavljen, tako
da se metalni sloj vrata nanosi direktno na poluvodič
(MEtal Semiconductor-MES) i na taj način formira Shotky-
jevu diodu.
• Kako kod MESFET-a vrata nisu izolovana, to ga čini
različitim od MOSFET-a, a takođe nije upotrebljen pn spoj,
što ga čini različitim od JFET-a.
n tip
++++++++++
++++++++++
19
• Obzirom da nije potrebno da se formira pn spoj, u ovoj komponenti se koristi silicijum ili GaAs(pokretljivost šupljina u GaAs je tako mala da izrada bipolarnih komponenti nije racionalna) kao osnovni materijal (kanal), koji se nanosi na visokootpornu podlogu (za razliku od MOSFET-a).
• Pri malim poljima GaAs ima znatno veću pokretljivost elektrona, što omogućava dobijanje komponenti sa većom strminom u i-u karakteristici i većom graničnom frekvencijom (vrijeme prolaska elektrona od izvora do odvoda).
• Visokootporna omska podloga čini manje izraženim parazitne kapacitete prema podlozi, koji su značajni kod MOSFET-a.
• Na ovaj način se dobijaju komponente, a u zadnje vrijeme i integrirane strukture, čija je gornja granična frekvencija reda do100GHz.
20
KONSTRUKCIJA:Kada se metalni sloj vrata nanese na n tip
silicijuma, formira se Shotky-jeva dioda.
• Ispod vrata nastaje osiromašena oblast, čija dubina zavisi
od razlike kontaktnih potencijala metala i silicijuma.
• Ova osiromašena oblast se ponaša kao izolirajući sloj, i
ograničava protok struje kraz n sloj. Ako se uključi napon
na vrata, onda se može upravljati potencijalnom
barijerom na vratima, a time i strujom kroz takvu
komponentu, čime se postiže tranzistorski efekat.
n-tip
+++++++++++
+++++++++
21
Pri uDS >0 i kratkim spajanjem vrata na izvor (uGS=0),
dolazi do povećanja osiromašene oblasti - smanjuje se
širina kanala.
• Kako je odvod na višem potencijalu od izvora (pri naponu
uGS=0) osiromašena oblast se širi sa strane odvoda.
• Tamo gdje je kanal tanji, gustina struje je veća- povećanje
brzine nosilaca naboja.
n tip
22
• Daljim povećanjem napona na odvodu elektroni dostižu svoju maksimalnu brzinu, upravo ispod kraja koji je bliži odvodu.
• Kada napon na odvodu dolazi do vrijednosti zasićenja uDS(SAT), širina kanala je na tom dijelu znatno smanjena i izlazna i-u karakteristika ulazi u oblast zasićenja.
• Daljim povećanjem napona odvoda, osiromašena oblast se širi tako što se pomjera prema izvoru. Ovim se dalje smanjuje širina kanala a struja odvoda se povećava i dalje.
• I-u izlazne karakteristike imaju pozitivan nagib, i konačan dinamički otpor i poslije zasićenja.
23
• Dovođenjem negativnog napona na vrata (uGS<0), dolazi do povećanja osiromašene oblasti.
• Pri malim naponima uDS , kanal se opet ponaša kao linearni otpornik, ali koji je sada veći nego u slučaju kada je napon vrata bio jednak nula.
• Ako bi se prethodno razmatranje primijenilo na materijal od GaAs, situacija bi bila nešto složenija, najviše stoga što elektroni postižu svoju maksimalnu brzinu pri polju od 3KV/cm, a zatim opadaju na nivo zasićenja koji odgovara nivou zasićenja u Si.
24
Korelacija sa ponašanjem JFET-a.
• Napon na kanalu Ui zamjenjuje napon uDS.
• Za generiranje i-u karakteristike MESFET-a , koriste se
rezultati koji su dobijeni za JFET, uz izvjesne modifikacije
preko napona Ui
• U linearnoj oblasti karakteristika, za tipični MESFET od
GaAs struja u kanalu je skoro linearna do tačke zasićenja:
Struja zasićenja je:
Ri je otpornost kanala.
i
iDS
R
UI
i
SATDSSAT
R
UI
25
Tehnička realizacija MESFET-a:• Na pločicu od poluizolirajućeg GaAs epitaksijalnom
tehnikom nanese sloj od n tipa GaAs.
• Na njega se odozgo postavljaju tri metalne elektrode. Vratasu od Al, a kontakti izvora i odvoda od legure zlato-telur.
• Mogu da rade u povećavajućem i smanjujućem modu.
• Problem kod poveć. moda je da se ne smije preći napon vođenja Shotky-jeve dioide na vratima (0,7 V).
• Zato se najčešće koristi u smanjujućem modu, gdje taj problem ne postoji.
• Uz veću pokretljivost elektrona, GaAs može da podnese i više temperature od Si, i zato se MESFET-ovi najčešće proizvode od GaAs.
• Upravljanje kanalom preko napona na vratima, smanjuje ulazni kapacitet, što uz bolju pokretljivost elektrona u GaAs, znatno poboljšava performanse tranzistora na visokim frekvencijama.
26
Tranzistori snage: VMOS i IGBT
• Tranzistori snage su namijenjeni radu sa signalima velike
snage: sposobnoast tranzistora da provode velike struje, i
da pri tome imaju visoke probojne napone.
• Povećanje maksimalnog iznosa struje MOSFET-a postiže
se skraćenjem dužine kanala L ili povećanjem njegove
širine W:
• Povećanje širine kanala :povećanju površine poprečnog
presjeka silicijumske pločice - ekonomska ograničenja.
• Smanjenje dužine je ograničeno dozvoljenom vrijednošću
probojnog napona izvor-odvod.
• Vrijednost probojnog napona kod MOSFET-ova se
smanjuje sa smanjenjem dužine kanala: kod pojave
„gnječenja“ , kanal se povlači od odvoda ka izvoru.
2)(2
TNGSnDS VuL
WKi
27
• Zato se konstruira struktura gdje struje teku vertikalno,
normalno na površinu vrata, a tehnološki postupak je
planaran (sve operacije se obavljaju u istoj ravni:
istovremena izrada više tranzistora).
• Vertikalni MOSFET-ovi se uglavnom koriste kao prekidači
za velike struje (više desetina ampera) i velike probojne
napone od nekoliko stotina volta.
• Proizvode se isključivo sa induciranim kanalom, koji se
formira naponom koji je istog polariteta kao i napon odvoda.
• Najčešće se koristi N kanalni VMOS, pošto, pri ostaloj
jednakoj geometriji ima veću struju, zbog veće
pokretljivosti elektrona u odnosu na šupljine.
• Ovo važi generalno i za MOSFET-ove male snage, kada
se koriste kao prekidači.
28
• Različiti prizvođači prizvode MOSFET-ove snage pod
nazivima: HEXFET (National), VMOS (Philips), SIPMOS
(Siemens) i svi imaju različit fizikalni dizajn, koji je ubačen
u površinski sloj podloge u više paralelnih slojeva.
29
• Za uGS>VTN, formiraju se dva inducirana kanala (često u jako dopiranom p poluvodiču).
• Struja kanala se zatvara do odvoda veritikalnim tokom, kroz slabije dopirani poluvodič n tipa (n-)- razdvajajući sloj,
unesen u cilju povećanja
probojnog napona u koji se,
zbog manje dopiranosti,
širi oblast prostornog naboja
(SIPMOS).
• Pri tome, dužina kanala može biti mala, pa VMOS ima i veliku struju i veliki probojni napon.
• Konstrukcija sa vratima u obliku slova V, pogodna je u radu sa višim frekvencijama, jer ima manje parazitne kapacitete.
30
Bipolarni tranzistori sa izoliranim vratima - IGBT
(The Insulated Gate Bipolar Transistor): kombiniraju
najbolja svojstva bipolarnih tranzistora i MOSFET-a.
• Bipolarni tranzistori imaju manje gubitke kada su u stanju
vođenja, ali imaju takođe i duže vrijeme prekidanja od
MOSFET-a, posebno kod isključivanja.
• MOSFET se može brže prebaciti iz stanja vođenja u stanje
kočenja, ali su njegovi gubici u stanju vođenja veći.
• Tako, IGBT-i imaju manji pad napona u stanju vođenja, u
kombinaciji sa velikom brzinom prekidanja.
• IGBT-i imaju takođe vertikalnu strukturu.
32
• IGBT je novi, vodeći uređaj danas, za primjene u prekidanju srednjenaponskih krugova.
• Ovi uređaji imaju mnoge poželjne osobine: MOS ulaz vrata, veliku brzinu prekidanja, mali pad napona u stanju vođenja, mogućnost provođenja velikih struja, i značajno smanjenje dimenzija.
• IGBT se sa svojim osobinama približava „idealnom prekidaču“, sa tipičnim iznosima napona prekidanja od 600-1700 V i padom napona pri vođenju od 1,7 do 2 V, pri strujamado 1000 A te brzinom prekidanja od 200-500 ns. Ovaj tranzistor smanjuje cijenu sistema u koji se ugrađuje i povećava broj ekonomski isplativih operacija.
33
• Ekviv. šema IGBT-a sa parazitnim tranzistorom (n+pn-)
G
(+)p
n
p+
S
D
(-)
(+)
n+
p
n-
otpor
podloge
otpor
oblasti
vođenja
otpor
oblasti
podloge
34
• IGBT se sastoji od BT-a i MOSFET-a sa induciranim
kanalom, koji se nalazi u bazi BT-a.(+) napon na G inducira
kanal, struja teče kroz MOS u bazu BT-a (IB), koji zato
provede struju IEC. Pri naponu na G od 0 V, MOS ne vodi,
pa nema bazne struje u BT-u, i BT je zakočen.
E(p+)
B (n)
C(p)
(+)
D(+)
S(-)
(+)
(-)
Otpor oblasti
vođenja
otpor
oblasti
podloge
35
• Ekvivalentna šema sa parazitnim tranzistirom (n+pn- tipa)
p+
n
p
n-
p
n+
D
S
(+)
(-)
(+)
otpor oblasti
vođenja
otpor
oblasti
podloge
36
• Parazitni tranzistor nastaje od n+ tipa izvora, p
tipa podloge i n- tipa vodljive oblasti. Ako je struja
kroz otpor podloge dovoljno velika, proizvešće
takav pad napona na njemu, koji će direktno
polarizirati spoj n+ tranzistora, tako da će
provesti parazitni tranzistor, koji je dio parazitnog
tiristora.
• Sada parazitni tranzistor daje struju u bazu pnp
tranzistora jer nastupa jako ubacivanje elektrona
iz n+ oblasti u p oblast, i dalje u n- oblast: strujni
krug se zatvara preko baze pnp tranzistora.
• Upravljanje vratima postaje nemoguće. Ovo je
poznato kao “latch up” (zatvaranje) i obično dovodi
do uništenja uređaja.
Recommended