EA Curs 06 Dispozitive.tranzistoare Unipolare

8/17/2019 EA Curs 06 Dispozitive.tranzistoare Unipolare

1/13

1

Curs 6 – Dispozitive electronice de baza. Tranzistoare unipolare

Cuprins

Tranzistoare cu efect de camp. Introducere.

TEC cu jonctiune (TEC-J)

TEC cu grila izolata (TEC-MOS) Exercitii

Concluzii

Tema de casa

1. Tranzistoare cu efect de camp. Introducere.

Tranzistoarele cu efect de camp (TEC) regleaza curentul de conductie prin folosirea unei

tensiuni electrice, in opozitie cu tranzistorul bipolar ce foloseste curentul de baza. Rezulta ca

valoarea curentului de intrare (poarta) este foarte mica, comanda facandu-se in tensiune.

Functionarea TEC-urilor are la baza variatia conductantei unui strat semiconductor, numitcanal, la actiunea campului electric creat de tensiunea aplicata unui electrod de comanda

numit poarta sau grila. Curentul prin TEC se datoreaza numai purtatorilor majoritari, electroni

sau goluri, in fucntie de tipul canalului (de tip n, respectiv p).

O scurta clasificare a acestor dispozitive: (1) TEC cu jonctiune (sau grila jonctiune) : TEC-J;

(2) TEC cu grila izolata : TEC metal-oxid-semiconductor: TEC-MOS

La TEC-J valoarea curentului este de ordinul

curentului invers al unei jonctiuni pn, zeci de

nanoamperi. La TEC-MOS poarta este izolta

prin intermediul unui strat izolator (dioxid desiliciu) astfel incat curentii de poarta sunt de

ordinul zecilor de picoamperi.

In figura se prezinta o scurta clasificare a

tranzistoarelor cu efect de camp. Se va studia

numai fucntionarea TEC cu canal n, ca fiind

similara cu a transzistoarelor bipolare de tip

npn.

2.

TEC cu jonctiune (TEC-J)

Structura fizica si simbolul sunt prezentate in figura 1. De la sursa la drena se formeaza fizic

un canal de conductie, a carui latime este controlata de tensiunea aplicata portii. Canalul este

de cel putin zece pana la sute de ori mai lung decat lung. Cele doua regiuni de tip p sunt

conectate intre ele formand electrodul portii.

Acest TEC este implicit (din fabricatie) cu canal initial. Tensiunea aplicata portii trebuie sa fie

negativa pentru a miscosra latimea canalului si, deci, intensitatea curentului ce trece prin

canal. Cu tensiune zero pe poarta, curentul este maxim.


2/13

Electronica analogica

2

Figura 1: TEC-J. Structura si simbol

2.1. Caracteristicile TEC-J.

TECJ are urmatoarele tipuri de caracteristici statice:

Caracteristici de iesire: I D = I D(U DS ) cu U GS = ct;

Caracteristica de transfer I D = I D(U GS ) cu U DS = ct.

Figura 2: Caracteristica de transfer si caracteristicile de iesire

ale tranzistorului TEC-J cu canal n

Intrucat curentul de grila este zero, nu exista caracteristica de intare.

Caractersitica de transfer tipica este independenta de U DS daca U DS > U DSSat :

pGS

pGS

P

GS

DSS D

V U

V U V

U I

I

,0

,1

2

, cu0

GS

Dsat DSS

U I I (1)

In figura sunt reprezentate caracteristicile de iesire (de drena) I D=I D(U DS ) pentru U GS =ct. ale

unui tranzistor cu canal n. Pentru tensiuni U DS mari se disting: o zona neliniara, o zona de

saturatie in care I DS este foarte putin dependent de UDS si o zona de strapungere, caracterizata

de o crestere abrupta a curentului.


3/13

Curs #6: Dispozitive electronice de baza. Tranzistoare uipolare

3

La tensiuni DS mici, caracteristica de iesire este liniara, tranzistorul comportandu-se intre

drena si sursa ca un rezistor comandat in tensiune, tensiunea pe poarta. In aceasta regiune,

dependenta curentului de sursa poate fi aproximata cu relatia

DS P GS P DSS

D

U V U

V

I I

2

2 (2)

Valoarea rezistentei fiind

P GS DSS

P

DS

DS

DS

V U I

V

I

U R

2

2

(3)

Valoarea minima a rezistentei este la U GS = 0 [V] si este

DSS

P

DS

I

V

R2

min, (3)

Pentru tensiuni DS mari, curentul este aproape constanta si numai depinde de tensiunea drena-

sursa, comportandu-se ca o sursa de curent constrolata de tensiunea de poarta. Linia de

separatie intre cele doua regimuri (rezistor su sursa controlata) este:

P GS DS V V U (4)

2.2. Polarizarea TEC-J

2.2.1 In figura se prezinta schema de polarizare automata, asigurata de caderea de tensiune pe

rezistenta RS . Aceasta tensiune se aplica pe poarta prin rezistenta R

G (cu valori de ordinul

MOhmilor).

Polarizarea automata a portii fata de sursa este furnizata de caderea de tensiune pe rezistenta

RS , care se aplica – cu semn opus- pe poarta prin rezistenta RG (de ordinul MOhmilor). In planul caracteristicilor de transfer, I D=F(U GS ), punctul de functionare se gaseste la la

intersectia dreptei de polarizare de ecuatie:

GS

S

D DS GS U

R I I RU

1 (1)

Figura: Polarizarea automata a TEC-J si stabilirea punctului static de functionare


4/13


4

2.2.2 Polarizarea cu divizor de tensiune este prezentata in figura de mai jos.

Figura: Polarizarea TEC-J cu divizor rezistiv

Se pot scrie ecuatiile de circuit:

DS GGGS I RV U (2)

2

21

R R R

U U

DD

GG

(3)

Dreapta de sarcina are ecuatia:

GS

S S

GG

D U

R R

V I

1 (4)

Alegerea uneia din schemele de polarizare depinde de variatiile acceptate ale PSF-ulu

tranzistorului. Schema cu divizor rezistiv asigura a variatia mai mica a punctului de

fucntionare.

2.3. Regimul dinamic al TEC-J

La variatii mici in jurul unui punct de functionare, comportarea tranzistorului TEC-J este

descrisa de transconductanta

D P

DSS

P GS

p

DSS

GS

Dm I

V

I V U

V

I

dU

dI g 22

2 (1)

Valoarea maxima a transconductantei se obtine pentru tensiune GS egala cu zero, deci

curentul de drena este maxim:

P

DSS

DSS

P

DSS

mV

I I

V

I g 22max, (2)


5/13


5

Figura : Dependenta transconductantei de tensiunea grila – sursa si modelul de semnal mic

2.4. Exemple de aplicatii cu TEC-J

Exista cateva aplicatii de baza: amplificator, sursa de curent comandata si rezistenta

comandata. In figura se prezinta un atentuator controlat in tensiune, de exemplu pentru

reglarea intensitatii volumului sonor la un amplificator audio.

Pentru folosirea TEC-J se inlocuieste rezistenta R2 din divizorul de tensiune. La tensiune nula

pe grila, rezistenta are valoare minima. Pentru tensiune de control negativa, mai mica decat

V P, tranzistorul este blocat si la iesire se regaseste intreg semnalul de la intrare. Relatia intre

amplitudinile semnalelor de la intrare si iesire este

1 R R

R

U

U

DS

DS

in

out

(1)

Figura: Atenuator cu divizor rezistiv si cu transzistor TEC-J

Exemplu numeric pentru dimensionare sursa de curent de 2 [mA]. Fie un TEC-J cu canal, ca

in figura, cu parametrii V P = - 4 [V] si I DSS = 15 [mA]. Trebuie calculata rezistenta Rs.

Solutie: Se calculeaza tensiunea de comanda U GS pentru I D=2 mA din caracteristica de

transfer:


6/13


6

2

1

P

GS

DSS D

V

U I I

2

41152

GS U

V46.1115

24

GS U

Aceasta tensiune trebuie sa fie generata de caderea de tensiune pe rezistenta

R S:

730mA2

V46.1

S R

■

3. TEC cu grila izolata

Tranzistorul este constituit dintr-un substrat semiconductor de tip p in care s-au format prin

difuziune doua reguni de tip n puternic dopate. Aceste regiuni vor constituie sursa si drena

tranzistorului. Suprafata semiconductorului cuprinsa intre sursa si drena se acopera cu un strat

izolator (de exemplu, dioxid de siliciu). Peste stratul izolant de depune o pelicula care

repreznita grila. Contactul la substrat reprezinta baza care se leaga ohmic la sursa, la utilizarea

obisnuita, aceasta fiind si referinta de potential.

Canalul dintre sursa si drena poate fi indus in substrat prin aplicarea unei tensiuni electrice

intre grila si acesta (se obtin tranzistoarele TECMOS cu canal indus) sau format initial prin

doparea corespunzatoare a suprafetei semiconductorului de sub stratul de izolare (se obtin

tranzistoare TECMOS cu canal initial).

Figura: Structura tranzistorului MOS

Simbolurile tranzistoarelor MOS sunt prezentate mai jos.

Figura: Simbolurile tranzistoarelor TECMOS – cu canal initial de tip N si P


7/13


7

Figura: Simbolurile tranzistoarelor TECMOS – cu canal indus de tip N si P

Cele doua tipuri de trazistoare, TEC-J si TEC-MOS, sunt asemenatoare in ce priveste

principiul de functionare dar au si deosebiri:

1). TEC-J lucreaza prin golire. In mod normal, jonctiunea este polarizata invers, iar curentul

de poarta este mai mare decat la un TEC-MOS. Daca jonctiunea este polarizata direct curentul

de poarte devine foarte mare.

2). TEC-MOS are curentul de poarta mult mai mic si este mai usor de fabricat. TEC-MOS

poate sa lucreze in doua moduri: cu polarizare directa dar si inversa a jonctiunii grila- sursa.

Dintre tranzistoarele TEC-MOS cel mai des folosit, datorita performantelor sale, este

tranzistorul TEC-MOS cu canal indus de tip N, simbolizat prin NMOS.

3.1.Caracteristici

La nivelul tranzistorului MOS apar patru marimi electrice: un curent electric generat întredrena si sursa: i D – curentul de drena; trei tensiuni electrice si anume tensiunile între

terminalele tranzistoarelor: U GS – tensiunea grila-sursa; U DS – tensiunea drena-sursa; U GD – tensiunea grila-drena.

In figura de mai jos se prezinta caracteristicile de baza ale tranzistorului MOS cu canal indus,

in stanga - carateristica de transfer si, in dreapta, caracteristicile de iesire.

Figura: Caracteristici tipice pentru TECMOS: de transfer si de iesire

Caractersitica de transfer arata dependenta curentului de drena de tensiunea grila-sursa. Daca

tensiunea de intrare este zero curentul de drena este zero. La cresterea tensiunii de intrare

peste o valoare de prag V TH apare canal indus si curentul de drena variaza dupa relatia:


8/13


8

TH GS TH GS

TH GS

DV U V U K

V U I

,

,02 (1)

Parametrul K nu se da in foile de catalog. El se calculeaza. In catalog se da curentul de drena, I D(ON) cand tranzistorul este complet deschis (in starea ON), la anumita valoare a tensiunii

GS, tipic de 10 V. Se poate estima atunci parametrul K dupa relatia

2)(

TH GS

D

V U

ON I K

(2)

Ca ordin de marime, tensiunea de prag V TH este in domeniul (1.5…5) [V]si I D(ON) indomeniul (3…15) [mA].

Caracteristica de iesire. Fiecare dintre caracteristici prezinta doua regiuni distincte. La

tensiuni drena-sursa mici, curentul de drena este aproximativ proportional cu tensiunea drena-

sursa. Tranzistorul se comporta ca un rezistor. In aceasta regiune, curentul de drena are

expresia aproximativa:

DS

DS

DS TH GS D

R

U U V U K I 2 (3)

In a doua regiune, corespunzatoare tensiunilor drena-sursa de valori mari, curentul este

constant in raport cu tensiunea drena-sursa si depinde numai de tensiunea aplicata pe grila.

Tranzistorul se comporta ca o sursa de curent controlata in tensiune si poate fi folosit ca

amplificator.

Tranzistorul MOS poate functiona în 3 regiuni de functionare distincte, determinate derelatiile care se stabilesc între tensiunile tranzistorului. Astfel, regiunile de functionare aletranzistorului MOS sunt:

In regiunea de blocare U GS < V TH (canal N).

In regiunea liniara: U GS > V TH si U DS < U GS - V TH ; comportare de rezistor;

In regiunea de saturatie: U GS > V TH si U DS > U GS - V TH ; comportare de amplificator;

Frontiera de separatie dintre cele doua regiuni de lucru este:

TH GS ita DS V U U lim, (4)

3.3 Tranzistorul MOS in regim variabil de semnal mic

Din ecuatiile de functionare ale tranzistorului MOS, specifice regiunilor de functionare, se

constata ca tranzistorul MOS este un element de circuit neliniar. Analiza circuitelor care

contin elemente de circuit neliniare este dificila. Din acest motiv, întotdeauna este util ca, pentru aceste elemente de circuit neliniare, sa se dezvolte modele liniare, valabile în anumiteconditii de functionare. La fel se pune problema si în cazul tranzistoarelor MOS.


9/13


9

Deoarece tranzistorul MOS poate amplifica liniar numai în regiunea de saturatie, este util sase dezvolte un model, care sa descrie comportamentul dinamic al tranzistorului (la variatiile

marimilor sale electrice) în aceasta r egiune de functionare.

Modelul prezentat în continuare se poate aplica numai în cazul în care tranzistorul MOS

functioneaza în regim variabil de semnal mic.

Un tranzistor MOS functioneaza în regim variabil de semnal mic daca marimile sale electrice au valori variabile în timp, iar amplitudinea variatiei tensiunii grila-sursa este mai mica decâto valoare de aproximativ 12,5 [mV]: U GS


10/13


10

Pentru tranzistoare cu canal indus polarizarea se face cu un circuit simplu, cu o singura sursa

de tensiune si un divizor de tensiune, asa cum se prezinta in figura.

Figura: Schema de polarizare a tranzistoarelor MOS: (a) cu canal indus; (b) cu canal initial

Pentru tranzistoarele MOS, perechea de marimi electrice care defineste PSF-ul este:

- curentul continuu din drena: I D

- tensiunea continua drena-sursa: U DS

Tensiunea aplicata pe poarta este

1

21

G

GG

DD

G R R R

U U

(1)

Curentul de drena va fi determinat pe baza caracteristicii de transfer. Tensiunea de drena este

TH GS D D D D DD DS V U I R I RU U (2)

Polarizarea tranzistorului cu canal initial trebuie sa ofere posibilitatea obtinerii de valori

pozitive si negative pentru tensiunea de poarta, care se calculeaza cu relatia

TH DS

GG

G

DDGS V I R R R

RU U

21

1 (3)

Regiunea de functionare a tranzistorului MOS este impusa prin polarizarea acestuia. Circuitulelectronic care realizeaza polarizarea tranzistorului MOS se numeste circuit de polarizare.

Prin polarizarea tranzistorului MOS, la nivelul acestuia se stabilesc marimi electrice continue

(curenti electrici de terminal, respectiv tensiuni electrice între terminale).

O pereche de marimi electrice continue, compusa dintr-un curent de terminal si o tensiune

între 2 terminale formeaza punctul static de functionare al tranzistorului respectiv (pe scurtPSF-ul tranzistorului). PSF-ul tranzistorului furnizeaza informatii despre regiunea în careacesta functioneaza.

Curentul drena-sursa este 2

TH GS D V U K I (4)


11/13


11

Circuit cu autopolarizare a grilei. Pentru polarizarea tranzistoarelor MOS cu canal initial,

pe lînga circuitul de polarizare cu divizor rezistiv în grila se mai utilizeaza înca un circuit de polarizare, denumit circuit cu autopolarizare a grilei. Acest circuit de polarizare este mai

simplu si poate fi utilizat numai în cazul tranzistoarelor MOS cu canal initial, deoareceutilizarea acestuia se bazeaza pe faptul ca tranzistoarele MOS cu canal initial au tensiunea de

prag V TH de semn contrar tensiunii de prag a tranzistoarelor MOS cu canal indus. De exemplu, pentru tranzistoarele cu canal de tip N, cele care au canal indus au valoarea V TH > 0 [V], iar

cele care au canal initial, au valoarea V TH < 0[V].

Aplicatie: comutator analogic

De multe ori este necesar sa intrerupem accesul unui semnalintre doua puncte ale unui circuit

sau la bornele sarcinii. Curentii si puterile implicate sunt mici insa curentul este alternativ si

trebuie sa aiba acces in ambele sensuri.

Problema poate fi simbolizata cu ajutorul unui comutator mecanic, ca in figura. Daca in

conductie rezistenta comutatorului este Ron, pe sarcina ajunge fractiunea Rs/(Rs+Ron) dinsemnalul aplicat la intrare. In regim deschis, comutatorul are o rezistenta foarte mare Roff,

deci tensiunea pe sarcina este zero.

Dintre solutiile electronice disponibile nici dioda si nici tranzistorul bipolar nu se preteaza la

aceasta apliatie, intrucat tensiunea colector-emitor, cu transzistorul la saturatie, nu poate

atinge valoarea zero si tranzistorul nu se comporta ca un rezistor. Folosirea unui tranzistor

MOS este o solutie viabila.

Figura: Comutatoare analogice

Se presupun urmatoarele date initiale de lucru:

- Tensiunea sursei de semnal variaza intre -5 V si +5 V;

- Rezistenta de sarcina este Rs = 50 kOhm;

- Curentul prin sarcina variaza intre -0.1 mA si +0.1 mA;

- Tranzistorul MOS are V GS (ON)=10 V, R DS = 200 Ohm, I DS (ON) = 10 mA, V TH = 2 V;

- Tensiunea de comanda intre -10 V si +10 V;

Solutia problemei in diferite configuratii este prezentata in figura urmatoare. Substratul se

leaga la cel mai coborat potential, de ex. -10 V, indiferent de regimul de fucntionare.


12/13


12

Daca poarta este la – 10 V , mai coborat decat orice valoare din drena si sursa, rezulta catranzistorul este blocat. Rezistenta intre drena si sursa este de ordinul GOhm. Tensiunea care

ajunge pe sarcin aeste practic zero.

Figura: Functionarea comutatorului cu tranzistor NMOS

Daca poarta este pusa la +10 V, atunci tranzistorul este deschis avand o rezistenta de cca 50 — 100 Ohm.

Exemplu numeric. Fie un amplificator de tensiune

cu TEC-MOS-N. Sursa de alimentare este V DD=20

[V]. Se impune un PSF cu I D=2 mA si U DS = V DD/2.

Se mai cunosc pentru tranzistor V TH = 0.5 [V] si

curentul in starea ON (tranzistor deschis)

I DS (ON)=10 [mA] masurat la U GS = 20 [V]. Sa se

calculeze circuitul de polarizare compus din

divizorul rezistic din poarta si rezistenta de drena.

□

Solutie: Se caluleaza rezistenta din drena pe baza impunerii potentialului din drena la

jumatate din valoarea alimentarii:

k I

V

I

V V

I

U V R

D

DD

D

DD DD

D

DS DD

D 5

]mA[22

20

2

2/

Se calculeaza constanta K pe baza datelor de catalog. Din ecuatia caracteristicii de transfer

scisa pentru starea ON a tranzistorului:

2TH GS D

V U K I 2)(TH GS DS

V U K ON I

2

2

3

2 mA/V026.05.020

1010)(

TH GS

DS

V U

ON I K

Se calculeaza tensiunea GS pentru obtinerea curentului de drena impus:

2

TH GS D V U K I

V27.95.0

026.0

2

TH

D

GS V K

I U


13/13


13

Curentul de grila fiind zero, se inpune prin divizor in curent de 0.01 mA. Valorile

rezistoarelor sunt:

2TH GS D

V U K I

k I

U R

div

GS 927[mA]0.01

V27.91

k

I

U V R

div

GS DD 1073[mA]0.01

V73.10

[mA]0.01

V27.9202

Alegerea unor valori mai mici pentru rezistoare, echivalent a unui curent mai mare prin

divizor, ar duce la micsorarea rezistentei de intrare a tranzistorului TEC-MOC.

■

Concluzii

Tranzistoarele cu efect de camp (TEC) regleaza curentul de conductie prin folosirea unei

tensiuni electrice, in opozitie cu tranzistorul bipolar ce foloseste curentul de baza. Rezulta ca

valoarea curentului de intrare (poarta) este foarte mica, comanda facandu-se in tensiune.

Exista: (1) TEC cu jonctiune (sau grila jonctiune) : TEC-J; (2) TEC cu grila izolata : TEC

metal-oxid-semiconductor: TEC-MOS. Fiecare din ele poate fi cu canal n sau cu canal p.

Dintre tranzistoarele TEC-MOS cel mai des folosit, datorita performantelor sale, este

tranzistorul TEC-MOS cu canal indus de tip N, simbolizat prin NMOS.

Tranzistoarele TEC-J au curenti de intrare de ordinul nA. Tranzistoarele TEC-MOS au curenti

de intrare de ordiunul pA.

Modelele TEC-urilor sunt de generatoare de curent comandate in tensiune. La tensiuni mici

drena – sursa, dispozitivele TEC se comporta ca rezistente comandate in tensiune.

Tranzistoarele TEC-MOS au rezistenta drena-sursa foarte mici in starea On, de ordinul

mOhm, ceea ce le face foarte utile in comutatoare analogice.

Tema pentru acasa #5: Fie un generator de curent cu TEC-J. Se dau: V DD, I DSS = 15 [mA], I D = 2 [mA], V P =-4 [V]. Sa se

calculeaze rezistentele de polarizare RS , R1 si R2.

V10/) _ _ (10 nasteriilunanasterii ziuaV DD

■

Documents

EA Curs 06 Dispozitive.tranzistoare Unipolare