Unipolarni Tranzistori 2yt34

UVOD Tranzistor(od eng.transfer resistor-prijenosni otpornik) je poluvodički elektronički element sa tri elektrode koji posjeduje pojačavačko djelovanje[5]. Koristi se za pojačavanje, kao sklopka, za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge primjene. Osnovni je element mnogih elektroničkih sklopova, integriranih krugova i elektroničkih računala.Tranzistori se prema načinu rada dijele na bipolarne i unipolarne[1]. Bipolarni tranzistor (engl. BJT - Bipolar Junction Transistor) je aktivni poluvodički elektronički element dobiven kombinacijom poluvodiča p i n tipa. Sastoji se od tri područja (elektrode) – emitera (E), baze (B) i kolektora (C) .Emiter i kolektor bipolarnog tranzistora su istog tipa vodljivosti,dok je baza suprotnog tipa i smještena je između emitera i kolektora. Po tome razlikujemo dva tipa bipolarnih tranzistora: - npn tranzistor, kod kojeg su emiter i kolektor n-tipa, a baza p-tipa, - pnp tranzistor, kod kojeg su emiter i kolektor p-tipa, a baza n-tipa. Bilo da se radi o pnp ili npn tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima vanjskih napona i struja, te u vrsti nosilaca električne struje. U pnp tipu tranzistora glavni su nosioci električne struje šupljine, a u npn tipu tranzistora su to elektroni.

Slika 1.0 : a) npn i pnp tip bipolarnog tranzistora, b) praktična izvedba, c) električni simboli[2]

1

Princip rada bipolarnih tranzistora zasniva se na injekciji slobodnih nosilaca iz emitera u bazu, transportu tih nosilaca kroz vrlo usko područje baze, te njihovom sakupljanju na kolektoru. U radu bipolarnih tranzistora bitno je prisustvo obaju tipova nosilaca, većinskih i manjinskih. Upotrebljavaju se na dva osnovna načina: kao linearni pojačavački element napona ili struje ili kao nelinearni prekidački element u funkciji sklopke. U tranzistoru postoje dva pn spoja: emiter-baza (emiterski spoj) i baza-kolektor (kolektorski spoj). Svaki od tih spojeva može biti propusno ili nepropusno polariziran, pa po tome razlikujemo četiri naponska područja rada tranzistora

Tablica 1 : Načini polarizacije pn spojeva bipolarnog tranzistora Polarizacije pn-spojeva kolektor propusno -baza nepropusno

emiter-baza propusno nepropusno zasićenje inverzno aktivno normalno aktivno zapiranje

Struju kroz bipolarni tranzistor čine manjinski nosioci koji su uslijed napona između baze i emitera ubačeni u vodljivu bazu p ili n tipa. Gustoća manjinskih nosilaca na području baze uz kolektor mnogo je manja nego na području baze uz emiter pa oni difundiraju kroz bazu i lako prelaze u kolektor uzrokujući tok kolektorske struje. Mali dio manjinskih nosilaca koji se rekombinira u bazi čini struju baze. Na taj način se malom promjenom struje u krugu baze postiže velika promjena struje u krugu kolektora i dolazi do pojačavačkog djelovanja. Napon na spoju baza-emiter manji je od napona na spoju kolektor-baza, a također je i struja koja teče u bazu manja od struja emitera i kolektora, što znači da tranzistor omogućuje upravljanje potrošnjom u krugu veće snage pomoću kruga u kojem se troši manja snaga. Ovisno o tome koja je elektroda za oba kruga zajednička tranzistor se može koristiti u tri različita spoja. U spoju sa zajedničkom bazom ostvaruje se samo pojačanje napona, u spoju sa zajedničkim kolektorom samo pojačanje struje, a spoju sa zajedničkim emiterom pojačava se i napon i struja, pa je pojačanje snage najveće. Tehnološka izvedba bipolarnih spojnih tranzistora može biti u diskretnom (jedan tranzistor) ili u integriranom obliku (više tranzistora ili jedan i više tranzistora s drugim elementima na istoj silicijskoj pločici). Prije točno 60 godina(1948.godine) trojica američkih znanstvenika su konstruirali prvi tranzistor. John Bardeen, Walter Brattain i William Bradford Shockley su u Bellovim laboratorijima započeli evoluciju elektronike kakvu danas poznajemo. Prvi bipolarni tranzistor proizveden je 1951.godine, a za svoja otkrića trojica navedenih znanstvenika su 1956. godine dobili Nobelovu nagradu[4]. Prvi unipolarni tranzistori pojavili su se dosta kasnije. Prva praktična primjena tranzistora bila je u slušnom aparatu , nakon čega je slijedio prijenosni radio aparat, koji se kod nas i sam nazivao tranzistor.

2

U 60-im godinama prošlog stoljeća počinje primjena tranzistora u prvim računalima, a 1965. godine Gordon Moore dolazi do zaključka da će se u budućnosti svake dvije godine broj tranzistora u mikročipovima udvostučavati (Mooreov zakon). Veličina tranzistora se smanjivala recipročno s njihovim brojem, pa je tako 1961. godine veličina tranzistora bila 0,125 milimetara, 1971. godine 0,02 milimetra, dok se danas počinju proizvoditi mikročipovi s veličinom tranzistora od 45 nanometara. Danas su milijuni tranzistori osnovni elementi mikročipova koji se nalaze u svim elektroničkim uređajima od računala, pa do mobitela i mp3 playera. Unipolarni tranzistor (Tranzistor s djelovanjem električnog polja) je aktivni poluvodički elektronički element s tri elektrode kod kojeg u vođenju struje sudjeluju samo većinski nosioci naboja (ili samo elektroni ili samo šupljine), a protjecanjem te struje upravlja se promjenom vanjskog napona. Posljedica priključivanja tog napona na poluvodič je postojanje poprečnog električnog polja koje utječe na vodljivost poluvodiča pa se uz naziv unipolarni tranzistor obično upotrebljava i naziv tranzistor s efektom polja ili kraće FET (Field Effect Transistor). Za razliku od bipolarnog tranzistora kod FET-a nosioci naboja koji čine struju ne prelaze preko odgovarajuće polariziranih pn spojeva među odgovarajućim elektrodama već teku kroz dio poluvodiča koji se naziva kanal. Ovisno o tome koji se tip nosilaca naboja nalazi u kanalu,unipolarni tranzistori mogu biti p-kanalni ili n-kanalni. Iako je bipolarnim tranzistorom moguće ostvariti veće naponsko pojačanje nego unipolarnim, postoje karakteristike koje daju FET-u prednost u praktičnoj primjeni,a to su: FET je naponski upravljan elektronički element, posjeduje vrlo veliku ulaznu, a nisku izlaznu impedanciju, ima malu potrošnju, generira relativno mali šum i temperaturno je stabilniji od bipolarnog tranzistora. Neki nedostaci FET tranzistora su sporost kada rade kao sklopke, te uži propusni pojas kada se koriste u sklopu pojačala. Postoje dva tipa FET-a: - JFET (engl. Junction FET), spojni tranzistor s efektom polja - MOSFET (engl. Metal-Oxide-Semiconductor FET), tranzistor s efektom polja s izoliranim vratima

3

1.SPOJNI TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA(JFET) Elektrode FET-a nazivaju se: uvod S(eng.Source), odvod D(eng.Drain) i vrata ili upravljačka elektroda G (eng.Gate). JFET prikazan na slici 1.1 a) dobiven je tako da je na podlogu od n-tipa poluvodiča difuzijom na dvije suprotne plohe umetnut p-tip poluvodič s izrazito velikom koncentracijom šupljina (p+ područje). Na taj način ostvarena su dva pn spoja i oni se nepropusno polariziraju naponom U GS . Na krajevima podloge n-tipa nanesene su dvije metalne elektrode označene sa S i D,a između njih je priključen napon U DS .

Slika 1.1 : a) Izvedba JFET-a , b) simboli n-kanalnog i p-kanalnog JFET-a Budući da je n-područje slabije vodljivo od p+ područja,barijere će se na tim područjima širiti na n-stranu, što je prikazano na slici 1.2 b). Kroz preostali električki neutralni dio poluvodiča n-tipa, nazvan kanal, teći će struja ID od uvoda prema odvodu,a njen iznos ovisi o naponima napajanja UDS i UGS. Za određeni napon UDS struja će biti to manja što je napon nepropusne polarizacije iznosom viši. Uz veći napon UGS kanal će biti uži,odnosno njegov presjek manji, a otpor veći, tj.kako se barijera širi na slabije onečišćenu stranu pn spoja, porastom apsolutne vrijednosti napona UGS širina kanala se smanjuje, a time i njegova vodljivost. Pri naponu UDS=0 i UGS=0 kanal FET-a ima najveću širinu iznosa 2a (širina potpuno otvorenog kanala), što je prikazano na slici 1.2 a). Pri nekom naponu UGS i naponu UDS=0 širina kanala jednako se smanji po čitavoj njegovoj dužini na stalnu vrijednost 2b. Povećanjem napona nepropusne polarizacije UGS barijere postaju sve šire tako da kod nekog određenog napona dolazi do dodira donje i gornje barijere, što je prikazano na slici 1.2 c). Napon UGS pri kojem širina kanala postaje jednaka nuli (b=0) naziva se napon dodira i označava se sa UGS0. Naponima priključenim između odgovarajućih elektroda određena je radna točka FET-a,a smjer struje odvoda ID odgovara smjeru gibanja pozitivnog naboja.

4

2b

2a

Slika 1.2 : Modeli prikladni za opis načina rada n-kanalnog FET tranzistora Možemo napisati izraz za širinu barijere:

2 ⋅ ε ⋅ ( U k − U GS ) . q ⋅ ND Izraz za napon UGS0 pri kojem vrijedi b=0 je: a−b =

U GS 0 = U k −

(1.1)

a2 ⋅ q ⋅ ND , 2⋅ε

(1.2)

5

pa možemo izraziti poluširinu kanala u ovisnosti o naponima UGS i UGSO:  U k − U GS  . b = a ⋅ 1 − (1.3)  U − U k GS 0   Pri nekim naponima UDS i UGS kroz kanal teče struja odvoda stvarajući pad napona duž kanala. Tada širina kanala više nije stalna nego se mijenja. Kako presjek kanala od uvoda prema odvodu postaje sve manji, električno polje treba rasti da bi struja odvoda imala stalnu vrijednost ID: 3 3   2 − (U − U 2 ( ) ) U − U + U 2 GS DS k GS  I D = GO ⋅ U DS − ⋅ k (1.4)   3 U k − U GS 0   Gdje je G0 vodljivost potpuno otvorenog kanala: Go =

2a ⋅ w ⋅ q ⋅ N D ⋅ µ n . L

(1.5)

Funkcija (1.4) poprima maksimalnu vrijednost u točki UDS = UGS – UGS0, a nakon toga opada s porastom napona UDS. Međutim, takav tok funkcije ne odgovara izmjerenoj karakteristici na kojoj je utvrđeno da nakon vrijednosti UDS = UGS – UGS0 struja blago raste s porastom napona UDS (praktički ima stalnu vrijednost). Smanjenje širine kanala i dodir barijera na strani odvoda nastaju zbog pada napona duž kanala, koji je posljedica protjecanja struje kroz kanal. Pri dodiru barijera prestala bi teći i struja, odnosno nestao bi uzrok dodira barijera, što nema smisla. Zaključak je, dakle, da širina kanala na mjestu dodira barijera nije jednaka nuli, već ima mali iznos δ koji se pri prekoračenju napona dodira proteže prema uvodu. Na slici 1.3 prikazane su izlazne karakteristike FET-a, koje prikazuju ovisnost struje ID o naponu UDS za konstantni napon UGS, ID=f(UDS). Geometrijsko mjesto točaka UDS = UGS – UGS0 na izlaznim karakteristikama za pojedini napon UGS predstavlja granicu između dva područja rada FET-a – triodnog područja i područja zasićenja.U triodnom području napon UDS je nizak i spojni FET se ponaša kao linearni otpor čijim se iznosom može upravljati pomoću napona upravljačke elektrode UGS. U području zasićenja struja ID je konstantna i u tom dijelu karakteristike praktički ne ovisi o naponu UDS. Kada se pomoću FET-a želi realizirati pojačalo,radnu točku treba postaviti u područje zasićenja. ID

Triodno područje

-UGS1=0 Područje zasićenja

-UGS2 -UGS3 -UGS4 2 0

Slika 1.3 : Izlazne karakteristike FET-a

6

UDS

Uvrštavanjem uvjeta UDS = UGS – UGS0 u izraz (1.4) Dobiva se jednadžba koja vrijedi za područje zasićenja: 3 3   2 − (U − U 2 ( ) ) U − U 2 k GS 0 k GS   = G0 ⋅ U GS − U GS 0 − ⋅   3 U k − U GS 0  

I Dzas

(1.6)

Dio karakteristika opisan jednadžbom (1.4) pripada triodnom području. Dinamički parametri FET-a Strmina - derivacija struje ID po naponu UGS pri nekoj stalnoj vrijednosti napona UDS: gm =

∂I D ∂U GS

g m = GO ⋅

(1.7) U k − U GS + U DS − U k − U GS U k − U GS 0

 U k − U GS g m = G0 ⋅ 1 −  U k − U GS 0 

   

-

strmina u triodnom području

- strmina u području zasićenja

(1.8) (1.9)

Izlazna dinamička vodljivost - derivacija struje ID po naponu UDS pri nekoj stalnoj vrijednosti napona UGS: gd =

∂I D ∂U DS

(1.10)

 U k − U GS + U DS  g d = G0 ⋅ 1 −  U k − U GS 0  

(1.11)

Faktor pojačanja - derivacija napona UDS pri nekoj stalnoj vrijednosti struje ID: µ=

∂U DS ∂U DS ∂I D g = ⋅ = m = rd ⋅ g m , ∂U GS ∂I D ∂U GS gd

(1.12)

gdje je rd izlazni dinamički otpor FET-a.

Kod p-kanalnog JFET-a kanal je p tipa,a područje vrata n+ tipa.Naponi napajanja UGS i UDS,te struja ID,imaju suprotan predznak od onog za n-kanalni JFET: 7

a−b = U GS 0 =

2 ⋅ ε ⋅ ( U k + U GS ) q⋅ NA

(1.13)

a2 ⋅ q ⋅ N A −Uk 2⋅ε

 U k + U GS b = a ⋅ 1 − U k + U GS 0 

(1.14)    

(1.15)

3 3   2 − (U + U 2 ( ) ) U + U − U 2 k GS DS k GS   - triodno područje - I D = GO ⋅ − U DS − ⋅   3 U k + U GS 0  

- I Dzas

3 3   2 − (U + U 2 ( ) ) U + U 2 k GS 0 k GS   - područje zasićenja = G0 ⋅ − U GS + U GS 0 − ⋅   3 U k + U GS 0  

(1.16)

(1.17)

Statičke karakteristike JFET-a Izlazne karakteristike spojnog FET-a dane su za triodno područje jednadžbom (1.4), a za područje zasićenja jednadžbom (1.6). U području zasićenja funkcija ID=(UGS) je ujedno i prijenosna karakteristika koja se može približno pokazati paraboličnom funkcijom: 2

 U  I D = I DSS ⋅ 1 − GS   U GS 0  (1.19) U odsječku određenom točkama UGS0 i IDSS,gdje je IDSS struja ID pri naponu UGS.

Slika 1.4 : Statičke karakteristike FET-a

8

2.TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM (MOSFET)

Za razliku od spojnog FET-a kod kojeg je upravljačka elektroda nanesena direktno na podlogu, kod MOSFET-a je upravljačka elektroda izolirana od podloge tankim slojem silicijevog dioksida (SiO2) debljine t OX ≈ 0.1µ m. Rad MOSFET-a ovisi o nastajanju tzv. inverzijskog sloja na podlozi. MOS unipolarni tranzistor može biti izveden kao n-kanalni na p-podlozi ili kao p-kanalni na n-podlozi, obogaćenog ili osiromašenog tipa. Podloga je silicij s relativno malom gustoćom primjesa. Nakon toga se određenim planarnim postupcima (fotolitografskim postupkom) otvaraju „difuzijski prozori“ u oksidnom sloju kroz koje se difuzijom nanosi primjesa, oblikujući na taj način područje uvoda i odvoda u podlozi. Gustoća primjese u području uvoda i odvoda je relativno velika. Dio poluvodiča između uvoda i odvoda označen je kao kanal kroz koji struja može teći jedino ako su u njemu nosioci naboja istog tipa kao i većinski nosioci područja uvoda i odvoda.To znači da je za n-kanalni MOSFET nužno stvoriti višak elektrona uz površinu između p-podloge i izolatora (u kanalu), odnosno uspostaviti inverzijski sloj između uvoda i odvoda. To je temeljni preduvjet za vođenje MOSFET-a. Inverzijski sloj može nastati pod utjecajem priključenog napona odgovarajućeg polariteta između vrata i uvoda,UGS.

Slika 2.1 : Simbol i presjek n-kanalnog MOSFET-a[3] Kod n-kanalnog MOSFET-a obogaćenog tipa struja ID može teći uz priključeni napon UDS samo ako je napon UGS pozitivan i veći od određene vrijednosti koja se naziva napon praga UGS0. Drugi tip n-kanalnog MOSFET-a može se oblikovati tako de se između uvoda i odvoda posebnim tehnološkim postupkom unese uzak kanal n-tipa s relativno malom gustoćom primjesa. Kod takvog n-kanalnog MOSFET-a struja ID može teći i pri naponu UGS=0. Uz negativan napon UGS u izolacijskom sloju dolazi do gomilanja pozitivnog naboja uz metalni spoj upravljačke elektrode i izolatora, a negativni naboj se gomila uz spoj izolatora i kanala i odbija slobodne elektrone u blizini izolacijskog sloja, te se u kanalu stvara sloj osiromašen slobodnim nosiocima naboja, što znači da je vodljivost kanala smanjena i ovaj tranzistor spada u skupinu tranzistora osiromašenog tipa. Pozitivnim naponom UGS elektroni se izvlače iz dubine podloge i gomilaju se u kanalu povećavajući tako njegovu vodljivost.

9

Napon UGS pri kojem kanal praktički prestaje biti vodljiv naziva se napon praga UGS0. Za n-kanalni MOSFET osiromašenog tipa taj napon je negativan, a za obogaćeni tip je pozitivan. Kod n-kanalnog MOSFET-a osiromašenog tipa struja ID može teći pri pozitivnim vrijednostima napona UGS, kada tranzistor radi u obogaćenom modu i pri negativnim vrijednostima napona UGS ako vrijedi UGS0< UGS< 0, pa kažemo da tranzistor radi u osiromašenom modu. Kroz kanal n-kanalnog MOSFET-a obogaćenog tipa struja može teći samo uz pozitivne napone UGS kada vrijedi UGS>UGS0, tj.ovaj tranzistor može raditi samo u obogaćenom modu. Za p-kanalni MOSFET podloga je silicijski poluvodič n-tipa,a područje uvoda i odvoda p +tipa. Napon praga p-kanalnog MOSFET-a obogaćenog tipa je negativan, a tranzistor može raditi jedino u obogaćenom modu uz negativan napon UGS. Za osiromašeni tip napon praga je pozitivan, a tranzistor može raditi u osiromašenom modu pri UGS>0 i obogaćenom modu pri UGS<0. Izlazne karakteristike MOSFET-a Osnovni preduvjet za rad MOSFET-a je stvaranje pokretnog (površinskog) naboja gustoće σ m , koja je pri naponu U =0 određena izrazom: DS

σm =

ε 0 ⋅ ε ox′ ⋅ ( U GS − U GS 0 ) t ox

(2.1)

Pokretljivost nosilaca u kanalu je manja od pokretljivosti u dubini podloge, što nastaje zbog djelovanja električnog polja u kanalu, te raspršenjem nosilaca na međupovršini SiO2-Si. Struja u kanalu ima stalan iznos ID koji je jednak: 1  2 I D = K (U GS − U GS 0 ) ⋅ U DS − ⋅ U DS  , 2  

(2.2)

Gdje je

K=

µ nk ⋅ ε 0 ⋅ ε 0′ x ⋅ w t ox

(2.3)

Funkcija (2.2) ima u točki UDS=UGS-UGS0 minimum kojim je ujedno i označeno područje zasićenja struje ID: I Dzas =

K 2 ⋅ (U GS − U GS 0 ) 2

(2.4)

Jednadžba (2.2) opisuje triodno područje, a jednadžba (2.4) područje zasićenja polja izlaznih karakteristika n-kanalnog MOSFET-a. Kod stvarnih, odnosno izmjerenih karakteristika postoji mali porast struje ID s porastom napona UDS.

10

Slika 2.2 : Izlazne karakteristike n-kanalnog MOSFET-a - a) obogaćenog tipa, b) osiromašenog tipa Izvedene relacije vrijede za sve tipove MOSFET-a, samo treba voditi računa o predznacima odgovarajućih električnih veličina.

Slika 2.3 : Polariteti napona i smjer struje n-kanalnog MOSFET-a obogaćenog tipa

Parametri MOSFET-a U triodnom području MOSFET se može upotrijebiti kao linearni otpornik u elektroničkim sklopovima čiji se iznos može mijenjati naponom UGS. Dinamički se parametri definiraju kao i za spojni FET. Za triodno područje vrijedi: rd =

∂U DS 1 = ∂I D K ⋅ (U GS − U GS 0 − U DS )

gm =

∂I D = K ⋅ U DS ∂U GS

(2.5)

µ = g m ⋅ rd

11

Za područje zasićenja vrijedi: 1 = I Dzas ⋅ λ rd

λ ∈[0.01V −1 ,0.001 V −1 ] g m = K ⋅ (U GS −U GSO

(2.6)

)

Nadomjesni sklop za unipolarni tranzistor Za nadomjesni sklop unipolarnog tranzistora u području rada sa značajkama malih promjena iznosa signala i frekvencija, može se upotrijebiti linearni sklop koji sadrži naponski ili strujni ovisni izvor. Promatramo radnu točku unipolarnog tranzistora oko koje dolazi do malih promjena signala. Radnu točku Q određuju istosmjerne vrijednosti uGS,iD i uDS.Možemo odrediti ukupnu promjenu struje iD: (2.7) Na temelju ovog izraza sastavljen je model FET-a koji radi u režimu malih signala, slika Model vrijedi za područje frekvencija kod kojih je moguće zanemariti kapacitivnosti tranzistora.

Slika 2.4 : Nadomjesni sklop unipolarnog tranzistora za područje: a) nižih frekvencija, b)viših frekvencija Kod rada na višim frekvencijama u model se uključuju kapacitivnosti od vrata do uvoda Cgs, od vrata do odvoda Cgd i od odvoda do uvoda Cds, slika Vrijednosti navedenih kapacitivnosti su od nekoliko pikofarada do nekoliko desetaka pikofarada. Prave vrijednosti su zapisane u tehničkim podacima koje daje proizvođač tranzistora, jer ovise o izabranoj radnoj točki.

12

LITERATURA [1] I. Zulim: ELEKTRONIKA, prvi dio, Fakultet elektrotehnike,strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu [2] S Interneta, http://www.fpz.hr/~goldh/ES/AE/pog_1/nasl_1.htm [3]S Interneta, http://www.educa.fmf.uni-lj.si/izodel/sola/2001/di/Bezjak/apo_sipos/8.htm [4]Enciklopedija leksikografskog zavoda, svezak 6,Zagreb,MCMLXIX [5] S Interneta,http://hr.wikipedia.org/wiki/Tranzistor

13