ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡΣ 1. ∆ΟΜΗ ΚΑΙ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ∆ΙΠΟΛΙΚΟΥ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ∆ΟΜΗ

Το διπολικό τρανζίστορ (bipolar junction transistor-BJT) είναι ένας κρύσταλλος µε τρεις

περιοχές εµπλουτισµένες µε προσµίξεις, δηλ. αποτελείται από τρία διαδοχικά εναλλασσόµενα στρώµατα ηµιαγωγού υλικού (sandwich υλικό), εκ των οποίων το ενδιάµεσο υλικό είναι είτε τύπου -n (τρανζίστορ τύπου-pnp) ή τύπου-p (τρανζίστορ τύπου -npn), βλ. Σχ. 1.

(α)

(β)

Σχήµα 1: ∆οµή και κυκλωµατικό σύµβολο τρανζίστορ

(α) τρανζίστορ-pnp, (β) τρανζίστορ-npn (Σηµείωση: Στο κυκλωµατικό σύµβολο, το βέλος βρίσκεται πάντα στον εκποµπό και δείχνει τη συµβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύµατος, ενώ η φορά του βέλους δείχνει τον ηµιαγωγό-n)

Ένα τρανζίστορ αποτελείται από 3 περιοχές µε διακεκριµένη λειτουργία η καθεµία:

• Εκποµπός (emitter): Είναι µια έντονα εµπλουτισµένη περιοχή (τονίζεται µε δύο ++ στο Σχ. 1) και εκπέµπει φορτία προς τη βάση.

• Βάση (base): Είναι µια πολύ λεπτή περιοχή λιγότερο εµπλουτισµένη (τονίζεται µε ένα + στο Σχ. 1), που επιτρέπει στα περισσότερα φορτία που εκπέµπονται από τον εκποµπό να φθάνουν στο συλλέκτη

• Συλλέκτης (collector): Συλλέγει τα φορτία που καταφθάνουν από τον εκποµπό. Το επίπεδο εµπλουτισµού του βρίσκεται µεταξύ αυτών του εκποµπού και της βάσης, ενώ η ισχύς που καταναλώνεται σ’ αυτόν είναι µεγαλύτερη από εκείνες που καταναλώνονται στη βάση και στον εκποµπό, γιαυτό και η περιοχή που καταλαµβάνει ο συλλέκτης είναι µεγαλύτερη. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το διπολικό τρανζίστορ αποτελείται από δύο διόδους συνδεδεµένες σε

αντίθετη φορά, µια µεταξύ βάσης και εκποµπού (δίοδος ή επαφή εκποµπού) και µια µεταξύ βάσης και συλλέκτη (δίοδος ή επαφή συλλέκτη).

Οι φορείς πλειονότητας σε εκποµπό και συλλέκτη στο τρανζίστορ-pnp είναι οπές, ενώ στο τρανζίστορ-npn είναι ηλεκτρόνια. Αυτό σηµαίνει ότι ο ένας τύπος τρανζίστορ είναι

1

συµπληρωµατικός του άλλου ή ισοδύναµα ότι κατά τη λειτουργία τους θα έχουν ρεύµατα και πολώσεις µε αντίθετη φορά.

Στη συνέχεια, η µελέτη αναφέρεται στο τρανζίστορ-npn και αντίστοιχα συµπεράσµατα θα εξάγονται – κατ’ αναλογία – για το τρανζίστορ-pnp.

Όταν δεν εφαρµόζεται πόλωση, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του εκποµπού και του συλλέκτη διαχέονται προς τη βάση, ενώ µέρος των οπών της βάσης από κάθε άκρο της διαχέονται αντίστοιχα προς τον εκποµπό και το συλλέκτη, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται περιοχή απογύµνωσης σε κάθε επαφή (επαφή εκποµπού και επαφή συλλέκτη).

Κατά µήκος κάθε επαφής αναπτύσσεται φράγµα δυναµικού, το οποίο στους 23°C έχει ύψος 0.3V σε ηµιαγωγό Ge και 0.7V σε ηµιαγωγό Si (ευρύτατης χρήσης, λόγω των µεγαλύτερων περιορισµών τάσης και έντασης και της µικρότερης εξάρτησης των χαρακτηριστικών του από τη θερµοκρασία). Στη συνέχεια, η µελέτη θα επικεντρωθεί στα τρανζίστορ πυριτίου.

Τα επίπεδα εµπλουτισµού είναι διαφορετικά στις 3 περιοχές του τρανζίστορ, µε αποτέλεσµα καθεµία περιοχή φορτίου χώρου να εκτείνεται σε διαφορετικό βάθος. Έτσι, στη δίοδο εκποµπού το µικρότερο εύρος περιοχής φορτίου χώρου συναντάται στον εκποµπό, ενώ στη δίοδο συλλέκτη, το µικρότερο εύρος περιοχής φορτίου χώρου συναντάται στη βάση, βλ. Σχ. 2.

Σχήµα 2 Περιοχές φορτίου χώρου σε τρανζίστορ-npn χωρίς πόλωση

Είναι προφανές ότι, για να είναι σε θέση ο εκποµπός να εκπέµπει φορτία προς τη βάση, πρέπει η δίοδος εκποµπού να είναι ορθά πολωµένη και, αντίστοιχα, για να είναι εφικτή η συλλογή φορτίων από τον συλλέκτη, πρέπει η δίοδος συλλέκτη να είναι ανάστροφα πολωµένη.

Στο Σχ. 3 παρουσιάζεται ένα πολωµένο τρανζίστορ, στο οποίο παρατηρείται ελάττωση του εύρους της περιοχής φορτίου χώρου του εκποµπού και αύξηση του εύρους της περιοχής φορτίου χώρου του συλλέκτη σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα µεγέθη χωρίς πόλωση.

Σχήµα 3 Περιοχές φορτίου χώρου σε τρανζίστορ-npn µε πόλωση ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ∆ΙΠΟΛΙΚΟΥ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ

Η λειτουργία ενός διπολικού τρανζίστορ (bipolar ή BJT), βασίζεται στην εκποµπή φορέων από το εκποµπό και τη συλλογή τους από τον συλλέκτη. Σε κανονική λειτουργία, η επαφή εκποµπού είναι πάντα ορθά πολωµένη και η επαφή συλλέκτη ανάστροφα πολωµένη (σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις µόνο η επαφή συλλέκτη είναι ορθά πολωµένη), βλ. Σχ. 4. Ανάλογα µε την τιµή της τάσης βάσης-εκποµπού (VBE), είναι δυνατές οι ακόλουθες περιπτώσεις:

2

• Όταν είναι VBE<0.7V (για τρανζίστορ Si), πρακτικά δεν διέρχεται ρεύµα από τη βάση προς τον εκποµπό.

• Όταν γίνει VBE>0.7, υπάρχει αισθητή ροή ελεύθερων ηλεκτρονίων από τον εκποµπό προς τη βάση και ελεύθερων οπών από τη βάση προς τον εκποµπό. Η επαφή του συλλέκτη (ανάστροφα πολωµένη) περιορίζει σηµαντικά το εύρος της βάσης, µε

αποτέλεσµα την αύξηση του ποσοστού των ηλεκτρονίων που δεν θα παραµείνουν στο χώρο της βάσης αλλά θα εισέλθουν στο χώρο της επαφής του συλλέκτη. Το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή φορτίου χώρου του συλλέκτη έχει φορά που ωθεί τα ηλεκτρόνια, που έχουν εισέλθει, προς τον συλλέκτη. Αυτά τα ηλεκτρόνια συλλέγονται από την επαφή του συλλέκτη και δίδουν το ρεύµα συλλέκτη (IC) (υπάρχει και το ρεύµα ανάστροφης πόλωσης της διόδου συλλέκτη, που θεωρείται αµελητέο).

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία παραµένουν στο χώρο της βάσης, µαζί µε τις ελεύθερες οπές, οι οποίες εισέρχονται στην περιοχή του εκποµπού, δίνουν το ρεύµα βάσης (IB). Επειδή το ρεύµα αυτό προκύπτει από αλληλεξουδετέρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων µε ελεύθερες οπές, ονοµάζεται και ρεύµα επανασύνδεσης (recombination current).

Στα περισσότερα τρανζίστορ, περισσότερο από το 95% των φορτίων, που εκπέµπονται από τον εκποµπό, φθάνουν στο συλλέκτη και λιγότερο από το 5% παραµένουν στη βάση και συµβάλλουν στο ρεύµα της βάσης.

Σε γενικές γραµµές: • Το ρεύµα συλλέκτη (ΙC)είναι περίπου ίσο µε το ρεύµα του εκποµπού (ΙΕ). • Το ρεύµα βάσης (IB)είναι πολύ µικρό.

Σχήµα 4 Πόλωση του τρανζίστορ και ροή των ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών.

Από τον πρώτο νόµο του Kirchhoff (κόµβος το τρανζίστορ) προκύπτει: (1) E BI I I= + C

Ο συντελεστής αDC εκφράζει το ποσοστό των ελεύθερων φορέων του εκποµπού που φτάνει στο συλλέκτη και δίνει το ρεύµα συλλέκτη και ορίζεται ως το πηλίκο του ρεύµατος του συλλέκτη

προς το ρεύµα του εκποµπού, δηλ. ισχύει: CDC

E

II

α = .

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 1. Όσο µεγαλύτερος είναι ο συντελεστής αDC, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια φθάνουν στο

συλλέκτη και τόσο µικρότερο είναι το ρεύµα της βάσης. 2. Το ρεύµα της βάσης µπορεί να ελαττωθεί αν η βάση γίνει λεπτότερη και µειωθεί ο

εµπλουτισµός της. 3. Ο συντελεστής αDC δεν µπορεί να γίνει ίσος µε τη µονάδα διότι στο ρεύµα της βάσης

συνεισφέρουν: (i) στα µεν τρανζίστορ-npn και οι ελεύθερες οπές της βάσης, (ii) στα δε

3

τρανζίστορ-pnp και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της βάσης, µε αποτέλεσµα την αύξηση του ρεύµατος βάσης χωρίς αντίστοιχη αύξηση του ρεύµατος συλλέκτη. Εάν σε ένα τρανζίστορ αυξηθεί η τάση της διόδου εκποµπού του, θα αυξηθεί το ρεύµα βάσης

(IB) και πειραµατικά έχει διαπιστωθεί ότι σηµειώνεται αναλογική αύξηση του ρεύµατος συλλέκτη (IC). Άρα, υπάρχει δυνατότητα ελέγχου του ρεύµατος συλλέκτη µέσω του ρεύµατος βάσης. Επειδή το ρεύµα βάσης είναι µικρό ενώ το ρεύµα του συλλέκτη µεγάλο, ορίζεται ο συντελεστής: • DC κέρδος ή απολαβή ρεύµατος (βDC), ως το πηλίκο του ρεύµατος συλλέκτη προς το ρεύµα

βάσης, δηλ. είναι CDC

B

II

β = .

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 1. Σε τρανζίστορ χαµηλής ισχύος, ο συντελεστής βDC λαµβάνει τιµές στην περιοχή 100-300, ενώ

σε τρανζίστορ ισχύος οι τιµές του κυµαίνονται από 30-150.

2. Τα µεγέθη βDC και αDC συνδέονται µε τις σχέσεις: DCDC

DC1β

α =+ β

και DCDC

DC1α− α

β = .

3. Για περαιτέρω ελάττωση της συνεισφοράς των ελεύθερων φορέων της περιοχής της βάσης στο ρεύµα της βάσης, δηλ. για αύξηση του συντελεστή αDC, έχουν αναπτυχθεί σήµερα (µε σχετικά περιορισµένες εφαρµογές) τα διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής (heterojunction bipolar transistor), στα οποία εφαρµόζονται διαφορετικοί ηµιαγωγοί για τον εκποµπό και τη βάση, π.χ. στερεά διαλύµατα πυριτίου-γερµανίου (SiGe) ή αρσενικούχου γαλλίου-αργιλίου (AlGaAs).

ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΥΝ∆ΕΣΜΟΛΟΓΙΕΣ ∆ΙΠΟΛΙΚΟΥ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ

Στο Σχ. 5 παρουσιάζονται οι βασικές συνδεσµολογίες διπολικού τρανζίστορ. Σηµειώνεται ότι για την πόλωση ενός τρανζίστορ απαιτούνται δύο πηγές τάσης, µια για το βρόγχο ορθής πόλωσης της διόδου εκποµπού και µια για την ανάστροφη πόλωση του βρόχου της διόδου συλλέκτη.

(α) (β) (γ)

Σχήµα 5: Βασικές συνδεσµολογίες τρανζίστορ

(α) κοινού εκποµπού (CE), (β) κοινής βάσης (CB) και (γ) κοινού συλλέκτη (CC)

∆ιακρίνουµε: (α) Συνδεσµολογία κοινού εκποµπού (Common Emitter, CE): Οι βρόχοι έχουν ως κοινό σηµείο τον

εκποµπό, ο οποίος είναι γειωµένος. (β) Συνδεσµολογία κοινής βάσης (Common Base, CB): Οι βρόχοι έχουν ως κοινό σηµείο τη βάση, η

οποία είναι γειωµένη. (γ) Συνδεσµολογία κοινού συλλέκτη (Common Collector, CC): Οι δύο βρόχοι έχουν ως κοινό

σηµείο τους το συλλέκτη, ο οποίος είναι γειωµένος. Η µεταβολή της συνδεσµολογίας ενός τρανζίστορ από κοινή βάση σε κοινό εκποµπό ή κοινό

συλλέκτη, δεν µεταβάλλει την εσωτερική λειτουργία του.

4

Στη συνέχεια, η µελέτη θα γίνει για τη συνδεσµολογία κοινού εκποµπού, βλ. Σχ. 6.

Σχήµα 6: Συνδεσµολογία κοινού εκποµπού

Ισοδύναµο κύκλωµα τρανζίστορ

Χαρακτηριστική ρεύµατος βάσης

BB BE

BB

V VI

R−

= Χαρακτηριστικές καµπύλες συλλέκτη

Περιοχές λειτουργίας τρανζίστορ •

•

B

Περιοχή κόρου (saturation region): Είναι η περιοχή µικρών τάσεων VCE (VCE=0-1V), στην οποία το ρεύµα συλλέκτη αυξάνεται απότοµα. Σ’ αυτή την περιοχή η δίοδος συλλέκτη δεν είναι ανάστροφα πολωµένη. Eνεργός περιοχή (active region): Είναι περιοχή κανονικής λειτουργίας µε VCE=1-30V. Σ’ αυτή την περιοχή η δίοδος εκποµπού είναι ορθά πολωµένη και η δίοδος συλλέκτη ανάστροφα πολωµένη, το δε ρεύµα συλλέκτη καθορίζεται µόνο από το ρεύµα βάσης. Η διάταξη συµπεριφέρεται ως πηγή ρεύµατος ( I IC DC= β ⋅ ).

•

•

Περιοχή διάσπασης (breakdown region): Στην περιοχή αυτή, η τάση συλλέκτη έχει υπερβεί την τάση διάσπασης συλλέκτη-εκποµπού και η διάταξη παύει να λειτουργεί ως τρανζίστορ. Περιοχή αποκοπής (cutoff region): Είναι η περιοχή που αντιστοιχεί σε χαρακτηριστική µε ρεύµα βάσης µηδέν και ρεύµα συλλέκτη πολύ µικρό (ρεύµα αποκοπής συλλέκτη).

Σχήµα 7: Χαρακτηριστικά της λειτουργίας τρανζίστορ

5

Η συνολική εικόνα των δυνατοτήτων λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ συνοψίζεται στον Πίν. 1.

Πίνακας 1: ∆υνατότητες λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ Πόλωση επαφής συλλέκτη

ορθή ανάστροφη ορ

θή

Περιοχή κόρου

(κλειστός διακόπτης)

Ενεργός περιοχή ορθής

λειτουργίας (καλός ενισχυτής)

Πόλωση

επαφ

ής

εκποµ

πού

ανάσ

τροφ

η Ενεργός περιοχή ανάστροφης

λειτουργίας (κακός ενισχυτής)

Περιοχή αποκοπής

(ανοιχτός διακόπτης)

2. ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΓΚΑΡΣΙΟΥ ΠΕ∆ΙΟΥ ΕΠΑΦΗΣ (JFET)

Το τρανζίστορ εγκαρσίου πεδίου επαφής (Junction Field Effect Transistor, JFET) είναι ένα µονοπολικό τρανζίστορ, δεδοµένου ότι η λειτουργία του βασίζεται σε ένα µόνο είδος φορέων, δηλαδή σε ηλεκτρόνια ή σε οπές, σε αντίθεση µε το διπολικό τρανζίστορ που βασίζει τη λειτουργία του και στα δύο είδη φορέων. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ – ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Η αρχή κατασκευής ενός JFET περιλαµβάνει την επιλογή ενός βασικού ηµιαγώγιµου τµήµατος ορισµένου τύπου (π.χ. τύπου-n), στις δύο πλευρές του οποίου προστίθενται περιοχές αντίθετου τύπου (δηλ. τύπου-p), βλ. Σχ. 8. Η συγκέντρωση των προσµίξεων στις προστιθέµενες περιοχές (τύπου-p) είναι πολύ µεγαλύτερες από αυτή του βασικού τµήµατος.

Καθεµία από τις προστιθέµενες περιοχές (τύπου-p) καλείται πύλη (gate). Τα δύο άκρα του βασικού ηµιαγωγού (τύπου-n) ονοµάζονται αντίστοιχα πηγή (source) και

απαγωγός (drain), ενώ το τµήµα του που βρίσκεται ανάµεσα στις πύλες ονοµάζεται κανάλι ή δίαυλος (channel).

Ο τύπος του JFET ορίζεται ανάλογα µε τον τύπο ηµιαγωγού του καναλιού, π.χ. JFET n-καναλιού ή JFET p-καναλιού.

Ένα JFET µπορεί να έχει 1 ή 2 πύλες. Ευρύτερη εφαρµογή συναντούν οι διατάξεις µε 1 πύλη.

Υλοποίηση JFET JFET διπλής πύλης JFET απλής πύλης

Σχήµα 8: Τρανζίστορ εγκαρσίου πεδίου επαφής (JFET)

6

Στο Σχ. 9 παρουσιάζονται τα κυκλωµατικά σύµβολα ενός JFET.

JFET n-καναλιού JFET p-καναλιού

Σχήµα 9: Κυκλωµατικά σύµβολα ενός JFET (G: Βάση, D: Συλλέκτης, S: Πηγή)

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Η λειτουργία του JFET µιας πύλης βασίζεται στην επαφή πύλης-καναλιού (επαφή ή δίοδος πύλης).

Η περιοχή φορτίου χώρου της επαφής έχει ως αποτέλεσµα την µείωση της διατοµής του καναλιού και τη µεταβολή της αντίστασης του, βλ. Σχ.10. Με τον τρόπο αυτό, µέσω της (ανάστροφης) πόλωσης της διόδου πύλης είναι δυνατή η ρύθµιση του εύρους της περιοχής φορτίου χώρου της επαφής και, κατά συνέπεια, ο έλεγχος της αντίστασης του καναλιού και του ρεύµατος που διαρρέει το JFET. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή µε τον όρο επίδραση πεδίου.

Σχήµα 10: Περιοχές φορτίων χώρου ενός JFET Στο Σχ. 11 παρουσιάζεται τυπικό κύκλωµα πόλωσης ενός JFET καναλιού τύπου-n, µε τα

ακόλουθα χαρακτηριστικά: Στο κύκλωµα χρησιµοποιούνται δύο πηγές τάσεως. •

• • •

•

Η πρώτη (VDD)συνδέεται µεταξύ απαγωγού και πηγής και παρέχει την τάση απαγωγού (VDS). Η δεύτερη (VGG) συνδέεται µεταξύ πύλης και πηγής και παρέχει την τάση πύλης (VGS). Η VGG πολώνει ανάστροφα τη δίοδο πύλης, µε αποτέλεσµα το ρεύµα πύλης IG να είναι πάρα πολύ µικρό και η αντίσταση εισόδου πάρα πολύ µεγάλη. Η τάση της πύλης (VGS) διαµορφώνει την αντίσταση του καναλιού. Στο Σχ. 11 παρουσιάζεται η µορφή της χαρακτηριστικής ρεύµατος απαγωγού ενός JFET

καναλιού-n και στο Σχ. 12 παρουσιάζεται οικογένεια χαρακτηριστικών καµπυλών ρεύµατος απαγωγού (ID) συναρτήσει της τάσης απαγωγού (VDS) για διάφορες τιµές της τάσης πύλης (VGS).

7

Κανονική πόλωση JFET Χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος

Σχήµα 11: Τυπικό κύκλωµα πόλωσης ενός JFET καναλιού τύπου-n

Σχήµα 12: Χαρακτηριστικές καµπύλες απαγωγού. Σε κάθε χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος απαγωγού διακρίνονται τα ακόλουθα

χαρακτηριστικά και περιοχές λειτουργίας: Κατάσταση βραχυκυκλωµένης πύλης (shorted-gate): Αντιστοιχεί σε µηδενισµό της τάσης πύλης (πύλη και πηγή βραχυκυκλώνουν).

•

•

•

Χαρακτηρίζεται από το ρεύµα απαγωγού στην κατάσταση βραχυκυκλωµένης πύλης (IDSS), το οποίο είναι το µέγιστο ρεύµα απαγωγού σε κανονική λειτουργία του JFET. Τάση συµπίεσης (pinch-off voltage): Είναι η τάση απαγωγού (VP), πέραν της οποίας το ρεύµα απαγωγού γίνεται περίπου σταθερό, στην κατάσταση βραχυκυκλωµένης πύλης. Όταν η τάση απαγωγού γίνει ίση µε VP, το αγώγιµο κανάλι γίνεται εξαιρετικά στενό (συµπιέζεται) και οι περιοχές φορτίου χώρου σχεδόν εφάπτονται. Αν η τάση απαγωγού αυξηθεί κι άλλο, το ρεύµα του απαγωγού θα αυξηθεί ελάχιστα γιατί το εύρος του αγώγιµου καναλιού είναι πολύ µικρό και δεν µεταβάλλεται παρά ελάχιστα. Με βάση την τάση συµπίεσης υφίστανται οι ακόλουθες περιοχές στη χαρακτηριστική ενός JFET: Ενεργός περιοχή: Αντιστοιχεί σε τιµές της τάσης απαγωγού µεγαλύτερες από την τάση συµπίεσης.

8

Ωµική περιοχή: Εντοπίζεται σε τιµές της τάσης απαγωγού µικρότερες από την τάση συµπίεσης. Στην περιοχή αυτή, το ρεύµα απαγωγού πρακτικά δεν εξαρτάται από την τάση της πύλης.

•

• Τάση αποκοπής πύλης – πηγής (gate cut-off voltage): Είναι η τάση VGS(off), στην οποία αποκόπτεται το ρεύµα απαγωγού, λόγω της επαφής των περιοχών φορτίου χώρου και υπολογίζεται από τη σχέση: . ( )P GS offV V= −

Χαρακτηριστική διαγωγιµότητας (transconductance curve) ενός JFET: Eίναι η γραφική

παράσταση του ρεύµατος απαγωγού συναρτήσει της τάσης πύλης (Σχ. 13) και περιγράφεται από τη σχέση:

( )

2

GSD DSS

GS off

VI I 1

V

= ⋅ −

Σχήµα 13: Χαρακτηριστική διαγωγιµότητας ενός JFET 3. ΜOFSET

Το MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor FET) ή IGFET (Insulated-Gate FET) είναι το ευρύτερα χρησιµοποιούµενο τρανζίστορ.

Όπως και το JFET, αποτελείται και αυτό από τα ίδια στοιχεία – πηγή, απαγωγό και πύλη – µε τη διαφορά ότι η πύλη του είναι ηλεκτρικά µονωµένη ως προς το κανάλι, µε αποτέλεσµα το ρεύµα πύλης να είναι πάρα πολύ µικρό, ανεξάρτητα από τη φορά της τάσης που εφαρµόζεται µεταξύ πύλης και πηγής.

Ως µονωτικό χρησιµοποιείται ένα πολύ λεπτό στρώµα SiO2 που παρεµβάλλεται µεταξύ της µεταλλικής πύλης και του ηµιαγωγού.

Ο τύπος του καναλιού καθορίζεται από το είδος των φορτίων (ηλεκτρόνια ή οπές) που άγουν το ρεύµα από την πηγή προς τον απαγωγό.

Το όνοµα της διάταξης MOSFET καθορίζεται από τη σειρά διαδοχής των στρωµάτων. Ανάλογα µε τον τρόπο λειτουργίας του, διακρίνουµε δυο κατηγορίες MOSFET: MOSFET τύπου αραίωσης (Depletion mode). •

• MOSFET τύπου πύκνωσης (Enhancement mode). MOSFET ΤΥΠΟΥ ΑΡΑΙΩΣΗΣ

Το MOSFET αραίωσης (Σχ. 14) αποτελείται από ένα τµήµα ηµιαγωγού-n, στα άκρα του οποίου συνδέονται οι ακροδέκτες πηγής και απαγωγού. Η εφαρµογή τάσης µεταξύ πηγής και απαγωγού,

9

όπου ο απαγωγός συνδέεται στο θετικό πόλο της πηγής, θέτει τα ηλεκτρόνια σε ροή από την πηγή προς τον απαγωγό.

Σχήµα 14: ∆οµή ενός MOSFET αραίωσης

Πίνακας 2: Τύποι ΜΟSFET αραίωσης

MOSFET αραίωσης µε αρνητική τάση στην πύλη

MOSFET αραίωσης µε θετική τάση στην πύλη

•

•

•

Η πηγή τάσης VDD ωθεί τα ηλεκτρόνια να κινηθούν από την πηγή προς τον απαγωγό µέσω του λεπτού καναλιού µεταξύ της περιοχής p και της πύλης. Η αρνητική τάση στην πύλη απωθεί τα ηλεκτρόνια του καναλιού, µε αποτέλεσµα την ελάττωση της πυκνότητας τους και την ελάττωση του ρεύµατος απαγωγού. Η διαδικασία αυτή ονοµάζεται λειτουργία αραίωσης (depletion mode). Όσο η τάση της πύλης γίνεται περισσότερο αρνητική, το ρεύµα απαγωγού ελαττώνεται µέχρις ότου αποκοπεί.

•

•

Εφαρµογή θετικής τάσης στην πύλη έχει ως συνέπεια την προσέλκυση ηλεκτρονίων προς την πύλη και αύξηση της πυκνότητας τους µέσα στο κανάλι. Η διαδικασία αυτή ονοµάζεται λειτουργία πύκνωσης (enhancement mode). Το δε κανάλι, αν και πρακτικά δεν αλλάζει διαστάσεις, γίνεται πιο αγώγιµο µε αποτέλεσµα να αυξηθεί το ρεύµα απαγωγού.

Το ρεύµα της πύλης είναι αµελητέο και στους δύο τρόπους λειτουργίας. Αντίθετα, η αντίσταση εισόδου της πύλης είναι πολύ µεγάλη (από 1010 - 1014 Ωµ).

• •

10

Το MOSFET αραίωσης έχει µία µόνο περιοχή p, που ονοµάζεται υπόστρωµα (substrate) και περιορίζει δραστικά τη διατοµή του καναλιού, µε αποτέλεσµα να µένει ένα πολύ λεπτό στρώµα µόνο που επιτρέπει στα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται από την πηγή προς τον απαγωγό.

Ένα πολύ λεπτό υµένιο SiO2 προσαρµόζεται στην αντίθετη πλευρά του καναλιού και πάνω σ’ αυτό τοποθετείται η µεταλλική πύλη.

Ανάλογα µε την εφαρµοζόµενη τάση στην πύλη διακρίνονται δύο τύποι MOSFET αραίωσης: Με αρνητική τάση στην πύλη. •

•

• • •

Με θετική τάση στην πύλη. Η λειτουργία και τα χαρακτηριστικά των δύο αυτών τύπων περιγράφονται στον Πίν. 2. Στο Σχ. 14 παρουσιάζονται τα κυκλωµατικά σύµβολα MOSFET τύπου αραίωσης n-καναλιού µε

τα εξής χαρακτηριστικά: Η πύλη έχει τη µορφή οπλισµού πυκνωτή. ∆εξιά από την πύλη, υπάρχει λεπτή γραµµή που παριστάνει το κανάλι. Το βέλος του υποστρώµατος δείχνει προς τον ηµιαγωγό, το δε υπόστρωµα µπορεί να συνδέεται εξωτερικά ή εσωτερικά µε την πηγή (οπότε προκύπτει διάταξη τριών ακροδεκτών).

Με ακροδέκτη Χωρίς ακροδέκτη υποστρώµατος υποστρώµατος

Σχήµα 14: τα κυκλωµατικά σύµβολα MOSFET τύπου αραίωσης n-καναλιού ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ MOSFET ΑΡΑΙΩΣΗΣ

Τα MOSFET τύπου αραίωσης χρησιµοποιούνται κυρίως στα αναλογικά ηλεκτρονικά. • •

•

•

Οι ενισχυτές µε MOSFET τύπου αραίωσης είναι παρόµοιοι µε τους ενισχυτές µε JFET και γι’ αυτό το λόγο µπορεί να ακολουθηθεί η AC ανάλυση, η οποία χρησιµοποιείται στα JFET. Επιπλέον, επειδή έχουν στην είσοδο τους µονωµένη την πύλη, επιτυγχάνουν πολύ υψηλές αντιστάσεις εισόδου. Τέλος, επειδή η αντίσταση του καναλιού µεταβάλλεται µε την τάση της πύλης, βρίσκουν εφαρµογή σε κυκλώµατα αυτοµάτου ελέγχου απολαβής (AGC). Επειδή εµφανίζουν µη µηδενικό ρεύµα απαγωγού για µηδενική τάση πύλης ονοµάζονται και MOSFET κανονικά σε κατάσταση ΟΝ (normally on MOSFET).

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΑΠΑΓΩΓΟΥ ΕΝΟΣ MOSFET n-ΚΑΝΑΛΙΟΥ

Στο Σχ. 15 παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές VDS-ID ενός MOSFET n-καναλιού. Οι καµπύλες που βρίσκονται στο πάνω τµήµα των χαρακτηριστικών αντιστοιχούν σε θετικές

τιµές της τάσης πύλης (VGS > 0) και αντιστοιχούν σε λειτουργία πύκνωσης. Η κατώτερη καµπύλη µε ρεύµα απαγωγού σχεδόν µηδενικό αντιστοιχεί σε τάση πύλης ίση µε

την τάση αποκοπής (VGS = VGS(off)). Οι ενδιάµεσες καµπύλες (VGS(off) <VGS < 0 V) αντιστοιχούν σε λειτουργία αραίωσης.

11

Σχήµα 15: Χαρακτηριστικές ρεύµατος απαγωγού / τάσης απαγωγού-πηγής. ΓΕΝΙΚΟΣ ΚΑΝΟΝΑΣ: Το MOSFET τύπου αραίωσης µπορεί να λειτουργήσει είτε µε αραίωση είτε µε πύκνωση. MOSFET ΤΥΠΟΥ ΠΥΚΝΩΣΗΣ

Το MOSFET τύπου πύκνωσης (enhancement mode MOSFET) λειτουργεί αποκλειστικά µε πύκνωση και επιτρέπει την ταυτόχρονη ολοκλήρωση στο ίδιο τσιπ, διατάξεων n-καναλιού και p-καναλιού µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία συστηµάτων συµπληρωµατικών στοιχείων (κυκλώµατα CMOS – Complementary MOS).

Στη δοµή των MOSFET πύκνωσης το υπόστρωµα εκτείνεται µέχρι την επίστρωση του οξειδίου, µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει κανάλι µεταξύ πηγής και απαγωγού. Η όλη δοµή µοιάζει να αποτελείται από δύο διόδους συνδεδεµένες αντίθετα µεταξύ τους, βλ. Σχ. 16.

Σχήµα 16: ∆οµή MOSFET τύπου πύκνωσης

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ MOSFET ΤΥΠΟΥ ΠΥΚΝΩΣΗΣ

Σε συνθήκες κανονικής πολικότητας της πύλης και του απαγωγού (Σχ. 17), εάν η τάση της πύλης είναι µηδέν (κατάσταση βραχυκυκλωµένης πύλης), το ρεύµα δε µπορεί να διέλθει από την πηγή προς τον απαγωγό (το p-τύπου υπόστρωµα έχει πάρα πολύ λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια και η δίοδος υποστρώµατος/απαγωγού είναι ανάστροφα πολωµένη). Συνεπώς, το ρεύµα του απαγωγού είναι αµελητέο.

12

Σχήµα 17: Κανονική πόλωση ΜΟSFΕΤ

Για να υπάρξει ρεύµα απαγωγού, πρέπει το υπόστρωµα να µετατραπεί σε n-τύπου (έστω και

τοπικά) ώστε να µην υπάρχουν οι δίοδοι υποστρώµατος/πηγής και υποστρώµατος/απαγωγού και να εξασφαλιστεί η ύπαρξη ηλεκτρονίων στο υπόστρωµα.

Η διαδικασία προς τούτο είναι η ακόλουθη: Η πύλη σχηµατίζει µε το υπόστρωµα πυκνωτή. •

•

•

•

• •

Εφαρµογή µιας αρκετά "υψηλής" θετικής τάσης στην πύλη, φορτίζει τον οπλισµό-πύλης του πυκνωτή θετικά, ενώ συσσωρεύονται ηλεκτρόνια στον οπλισµό/υπόστρωµα και µάλιστα στην περιοχή ακριβώς κάτω από το λεπτό στρώµα του οξειδίου της πύλης, καλύπτοντας όλη τη διαδροµή από την πηγή µέχρι τον απαγωγό. Το σχηµατιζόµενο τοπικό πολύ λεπτό στρώµα µε φορείς πλειονότητας τα ηλεκτρόνια συµπεριφέρεται ως τύπου-n και η παρουσία του αποκαθιστά την αγωγιµότητα (ηλεκτρικό ρεύµα) µεταξύ πηγής και απαγωγού. Περαιτέρω αύξηση της θετικής τάσης της πύλης, οδηγεί σε αύξηση της πυκνότητας ηλεκτρονίων στο υπόστρωµα και αύξηση του ρεύµατος απαγωγού. Επειδή το κανάλι είναι n-τύπου, η διάταξη ονοµάζεται MOSFET πύκνωσης n-καναλιού (n-

channel enhancement mode MOSFET). Το λεπτό στρώµα τύπου-n του p-τύπου υποστρώµατος, που σχηµατίζεται από το ισχυρό

ηλεκτρικό πεδίο και εφάπτεται στο στρώµα SiO2, ονοµάζεται στρώµα αναστροφής n-τύπου (inversion layer).

Τάση κατωφλίου (threshold voltage- VGS(th)) είναι η ελάχιστη τάση πύλης/πηγής, που προκαλεί την εµφάνιση του στρώµατος αναστροφής n-τύπου, µε τα εξής χαρακτηριστικά, βλ. Σχ. 18:

Εάν είναι VGS<VGS(th), το MOSFET είναι ανοικτό. Εάν είναι VGS>VGS(th), το MOSFET άγει.

Σχήµα 18: Χαρακτηριστικές VDS-ID για διάφορες τιµές της τάσης πύλης VGS.

13

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 1. Στο κυκλωµατικό σύµβολο ενός ΜOSFET πύκνωσης (Σχ. 19), το κανάλι δηλώνεται µε διακεκοµµένη γραµµή για να δηλωθεί ότι στην κατάσταση βραχυκυκλωµένης πύλης δεν υπάρχει κανάλι µεταξύ πηγής και απαγωγού (κατάσταση off). 2. Στο κυκλωµατικό σύµβολο ενός ΜOSFET πύκνωσης p-καναλιού, το υπόστρωµα είναι n-τύπου, η τάση κατωφλίου αρνητική και το ρεύµα απαγωγού ρέει σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του MOSFET n-καναλιού. 3. To µονωτικό λεπτό στρώµα SiO2 που παρεµβάλλεται µεταξύ πύλης και καναλιού σ’ όλα τα MOSFET µπορεί να καταστραφεί από διάφορες αιτίες, όπως:

Επιβολή υψηλής τάσης στην πύλη. • •

•

Τοποθέτηση ή αποµάκρυνση του MOSFET από κύκλωµα που ήδη τροφοδοτείται (ανάπτυξη υψηλών µεταβατικών τάσεων). Ηλεκτροστατικά φορτία που εναποτίθενται στην πύλη λόγω επαφής.

n-καναλιού p-καναλιού

Σχήµα 19: Κυκλωµατικά σύµβολα του ΜOSFET πύκνωσης ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ MOSFET ΠΥΚΝΩΣΗΣ

Σε αναλογικά κυκλώµατα, για την κατασκευή τελεστικών ενισχυτών, όπως π.χ. ο TLC251 (Texas Instruments) και ο CA3130 (HARRIS).

•

•

•

•

Στα ψηφιακά ηλεκτρονικά, σε µνήµες και µικροεπεξεργαστές (οι οποίοι περιέχουν περισσότερο από ένα εκατοµµύριο MOSFET σε κάθε ψηφίδα). Λόγω της µικρής κατανάλωσης ισχύος τους, στην κατασκευή φορητών υπολογιστών ισχυρής υπολογιστικής ικανότητας, σε εφαρµογές σε τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους, στην κατασκευή κινητών τηλεφώνων, κλπ. Σε εφαρµογές ισχύος: µετατροπείς τάσης, από συνεχή σε εναλλασσόµενη (inverter), σε παλµοτροφοδοτικά, µονάδες εξόδου ενισχυτών τάξης Β ή ΑΒ υψηλής ισχύος, κλπ.

14