1

SPOJNI TRANZISTOR SA EFEKTOM POLJA

(JFET)

MESFET i TRANZISTORI SNAGE

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

12

• Izlazne karakteristike JFET-a, pri IDSS=200A i

Vp=-4V.

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.

31

E (D) (+)

C(S) (-)C (S) (-)

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.