Transcript Document
ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 5. Tranzistory, řízené polem (FETy) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc Tranzistory řízené polem (FETy - Field Effect Tranzistors) Nebo jiný název Unipolární tranzistory (Procesů se účastní pouze nosiče jednoho znaménka) FET - Součástka se třemi elektrodami: • Emitor (S- Source) • Hradlo (G – Gate), • Kolektor (D – Drain), • případně ještě pomocná elektroda: Hmota (B – body) Tranzistory řízené polem Úvod Struktura: • Existuje větší počet různých struktur • Společný princip všech FETů: Nosiče jednoho znaménka procházejí vrstvou polovodiče – kanálem, od emitoru (S) ke kolektoru (D) a jejich průchod je regulován elektrickým polem E hradla (G) G S -E Kanál N D Tranzistor JFET Struktura Kanál typu N (proud je přenášen elektrony) nebo P (proud je přenášen dírami) • Hradlo je od kanálu izolováno vyprázdněnou oblastí P-N přechodu • Popis provedeme pro idealizovaný JFET s kanálem typu N: Tranzistor bez předpětí NP … dotace hradla P++ G D Vyprázd. oblast G S Kanál N Schématická značka (kanál N) d0 Lg G D 2a ND … dotace kanálu S Pro kanál P má šipka opačný směr Tranzistor JFET Popis činnosti při UDS = 0 V G UGS=-1 V G UGS=0 V 0V 0V S Kanál N G d0 D S 2a Při snižování napětí na hradle UGS se postupně zužuje šířka d nevyčerpané oblasti až při napětí zaškrcení (kanálu) Up0 dojde k úplnému přerušení vodivého spojení mezi emitorem a kolektorem: D d Lg e ND 2 U p0 N Da 1 2ε NA 0V 0V UGS=-1 V G 0V G UGS=Up0 S 0V D G UGS UGS=Up0 a d Up0 a 2 Tranzistor JFET Popis činnosti při předpětí hradla i kolektoru UGS=-1 V G S UDS = +5 V D d 0V UGS=-1 V ID I0 Při růstu napětí UDS roste proud kolektoru ID ale protože se současně dále zaškrcuje kanál, neroste lineárně: G U DS Up0 1 2 Up0 3U DS U U DS GS Up0 Velmi důležitým parametrem, zachycujícím zesilovací schopnost tranzistoru FET je přenosová vodivost gm (strmost), která je na nízkých kmitočtech shodná s parametrem y21: 3 2 2 Up0 U DS 3 U DS Up0 3 2 I 0 U GS I D gm 1 U GS U p0 U p0 Tranzistor JFET Charakteristiky Převodní charakteristiky Kolektorové charakteristiky ID UDS > Up0 1 UDS = Up0 I0 ID/I0 UGS/Up0 = 0 0,1 UDS < Up0 0,2 0,4 0,8 Up0 UGS 1 UDS/Up0 Tranzistor JFET Charakteristiky Kolektorové charakteristiky pro vyšší napětí UDS 1 ID/I0 UGS = 0 Jakmile se kanál zaškrtí (UDS=Up), přestane mít zvyšování napětí UDS vliv na proud kolektoru – dojde k saturaci: G UDS>Up Oblast saturace S D Up-U1 1 UDS/Up0 G zaškrcená část U1 UDS-Up Tranzistor JFET Režimy činnosti A) Režim ochuzování: Up0 0 • • • • při nulovém UGS tranzistorem teče proud pracovní režim: UGS 0 kanál se přiloženým záporným napětím přivírá dobrá linearita, dobré šumové vlastnosti, vysoké kmitočty, velká spotřeba Převodní charakteristiky ID Režim obohacování Režim ochuzování B) Režim obohacování: Up0 0 • • • při nulovém UGS tranzistorem neteče proud pracovní režim: UGS 0 nízká spotřeba, horší šum, horší vf vlastnosti Up01 Up02 UGS Tranzistor JFET Linearizované vf náhradní schéma A) Vnitřní tranzistor bez šumu G RG CDG GD D CG … kapacita vyprázdněné oblasti přechodu G-S ID CG RD Ri … nabíjecí odpor hradla Ri RS ID = UGSgm0 … náhradní proudový zdroj kolektoru GD = ID/UDS … výstupní diferenciální vodivost S CDG … mezielektrodová kapacita RG, RS, RD … přívodní odpory elektrod Tranzistor JFET Linearizované vf náhradní schéma B) Úplné schéma uGn G RG CDG RD uDn CDS Ri RS uSn S D iDn ID CG CGS GD CGS, CDS … vnější mezielektrodové kapacity uGn, uSn, uDn … šumová napětí tepelného šumu parazitních odporů RG, RS, RD iDn … šumový proudový zdroj kanálu (výstřelový šum) Tranzistor JFET Dynamické vlastnosti Pro JFET je z hlediska dynamických vlastností kritická doba průchodu nosičů kanálem (přesněji pod hradlem) G: wG τG G D S ND d LG Maximální dosažitelný zisk: MAG f MAG L G CG0 v gm kde: v … je rychlost nosičů pod hradlem CG0 … je kapacita hradla při UGS = 0 V Tranzitní kmitočet: fT f MAG f CDG f T 4CG G D R i R G R S 2CDG g m0 R i R S 2RG C G 1 2π G 1 2 Tranzistor JFET Skutečné provedení, vlastnosti, aplikace Řez strukturou Vlastnosti - Aplikace • Vysoká vstupní impedance S 2 m P++ G • Dobrá odolnost proti statické elektřině D Kanál N Podložka • Dobrá zatížitelnost P- Materiál – obvykle Si 200 m • Velké zbytkové napětí • Technologie kompatibilní s bipolárními tranzistory • Vhodné jako vstupní tranzistory v bipolárních integrovaných obvodech • Nevhodné pro spínání velkých proudů Tranzistor MESFET MESFET = Metal – Semiconductor = přechod Kov – polovodič Řez strukturou s kanálem N N++ S 1 m Schématická značka Přechod kov polovodič G D D G Kanál N Intrinzická podložka (bez dotace) Materiál – obvykle GaAs 100 m S Šipka označuje propustný směr přechodu hradlo kanál Tranzistor MESFET Vlastnosti ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI: DALŠÍ VLASTNOSTI: • Funkce obdobná jako JFET • Citlivé na statickou elektřinu (Schotkyho přechod). • Snadněji se dosahuje kátké hradlo (LG 0,3 m) • GaAs má 2xvyšší pohyblivost elektronů než Si (e 0,8 m2/s/V) • vysoké mezní kmitočty až 100 GHz • nízký vlastní šum na vysokých kmitočtech: F 1 dB/10 GHz • Malá přetížitelnost (GaAs má horší tepelnou vodivost než Si). • Vysoký nf šum - nevhodné pro aplikace do 1 až 10 MHz (poruchové stavy na povrchu kanálu) • Malá účinnost (vysoké proudy kolektoru) vhodnější pro nízkovýkonové aplikace Tranzistor MESFET Aplikace D S APLIKACE: G D 0,5m Typický mikrovlnný tranzistor pro kmitočty 1 – 100 GHz: • Zesilovače do 100 GHz 1,5m Princip realizace submikronového hradla 0,5m S G D • Oscilátory, směšovače do 100 GHz • Přepínače, zeslabovače do 35 GHz • Logické obvody DCFL, děličky kmitočtu do 12 GHz • Monolitické IO Kanál 0,1m Tranzistor HEMT (High Electron Mobility Tranzistor) VLASTNOSTI, APLIKACE: STRUKTURA: Kanál je tvořen velmi tenkou vrstvou s vysokou pohyblivostí elektronů HEM S D G N+ GaAs Intrinzický AlGaAs Intrinzický GaAs Semiizolační GaAs • Vysoká strmost gm0 vysoký kmitočet fT • Nízké odpory přívodů RS, RG, RD nízký šum F 0,2 dB/12 GHz N++ GaAs • Velmi citlivý na statickou elektřinu a na přetížení Vrstva HEM • Typický nízkošumový vysokofrekvenční tranzistor (pro pásmo 10 GHz – 100 GHz) • Nevhodný na kmitočty f 1 GHz Tranzistor MOSFET (Metal Oxid Semiconductor FET) Struktura se zabudovaným kanálem typu N: Bez předpětí hradla: Izolující vrstva oxidu SiO2 G S Si N+ UDS = + 5 V D Zabudovaný Si kanál N Podložka: Si – N+ P- Tranzistorem protéká proud S předpětím hradla: S UGS = 2 V UDS = + 5 V G D Si N+ Si N+ Podložka: Si – P- Běžný režim: UDS = 5 V, UGS = - 2 V, pracuje v režimu obohacování i ochuzování Tranzistor MOSFET STRUKTURA S INDUKOVANÝM KANÁLEM TYPU N: Bez předpětí hradla: Izolující vrstva oxidu SiO2 G S Si N+ UDS = + 5 V D Si N+ Podložka: Si - P Tranzistorem neprotéká proud S kladným předpětím hradla Indukovaný kanál N S Izolující vrstva oxidu SiO2 G D Si N+ Si N+ Podložka: Si – P- Běžný režim: UDS = +5 V, UGS = + 3 V, pracuje pouze v režimu obohacování Tranzistor MOSFET Vlastnosti, aplikace Základní vlastnosti: Aplikace: • Vysoká impedance hradla (y11 ~ 1013 – 1015 ) • Vstupní stupně měřicích zesilovačů a zesilovačů slabých signálů čidel • Up = 2 až 10 V • fT = 100 MHz – 1 GHz • Vysoké zbytkové napětí Uz 2 - 3 V • Vysoká citlivost na statické napětí • Lze realizovat komplementární součástky • Logické obvody s malou spotřebou a velkou integrací (CMOS) • Výkonové zesilovače do 2 GHz • Spínače a přepínače nízkého proudu • Nevhodné pro spínače velkého proudu Tranzistor MOSFET D+ G+ B D+ Charakteristiky B GS- Tranzistor s indukovaným kanálem typu N: Lineární Saturovaná oblast oblast ID UGS = 5 STranzistor se zabudovaným kanálem: ID UGS = 0 V UGS = -0,5 V UGS = 3 V UGS = - 1 V UGS = 1.5 V UGS = -2 V UGS = 0.75 V UGS = -3 V UGS = 0.35 V UDS UDS V oblasti saturace roste proud! Tranzistory FET Typologie Typy kanálu: Typy izolace hradla: • Zabudovaný kanál typu N nebo P • P-N přechod • Indukovaný kanál typu N nebo P • Přechod kov- polovodič • Heteropřechod • Oxid Režimy činnosti: • S obohacením (Enhancement – E) – při nulovém předpětí hradla neteče kolektorový proud – předpětí hradla má stejný smysl jako napětí UDS • S ochuzením (Depletion – D) – při nulovém předpětí hradla teče kolektorový proud – předpětí hradla je opačné oproti kolektorovému napětí Tranzistor IGBT Princip a struktura Motivace: Při spínání velkých proudů (kA) je důležité: • Aby měl spínací tranzistor nízké zbytkové napětí US – jinak vznikají vysoké ztráty na tranzistoru v sepnutém stavu PZ = USIK • Aby byl proud řídicí elektrody nízký – jinak to způsobuje velké problémy při ovládání spínače Problémy a řešení: • Bipolární tranzistory mají nízké zbytkové napětí US ale potřebují proud báze k řízení proudu kolektoru • FETy nepotřebují k řízení proudu kolektoru proud hradla ale mají velké zbytkové napětí • Řešením je integrovaná součástka, která slučuje výhody FETů a bipolárních tranzistorů: Tranzistor IGBT Tranzistor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor S2 E3 (n+) G (+) E (-) Schématická značka: G (+) C G E T2 SiO2 Rb T1 C1: p+ B1: n- Náhradní schema: kanál N D2 C+ B1 T3 T2 G B1: n+ E1: p+ C (+) T1 D2 S2 E1 C1 T3 E3 E Rb Tranzistor IGBT Vlastnosti, aplikace Vlastnosti: • Vysoká vstupní impedance malé spínací ztráty, nízké nároky na budicí stupně • Nízké saturační napětí v sepnutém stavu malé vodivostní ztráty v sepnutém stavu • Příklad parametrů: Umax 1 600 V 4 500 V Imax 1 200 A 4 000 A fmax 20 kHz 300 Hz Použití: Hlavně ke spínání ve výkonových měničích a regulátorech pro pohon trakčních motorů Tranzistor IGBT Příklad aplikace Třípulzní třífázový usměrňovač Třífázový střídač s IGBT Parazitní indukčnost přívodů Lp 50 Hz 3AC C0 D1 R1 U0 f Hz 3AC C1 Sběrací kondenzátor i dm L p 2 C1 U CEM U d 2 2 , R1 Přepěťová ochrana 1 4f výst C1 , idm.... je max. ss proud tranzistorem UCEM.... je max. přípustná velikost spínaného napětí