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
0,5m
Typický mikrovlnný tranzistor
pro kmitočty 1 – 100 GHz:
• Zesilovače do 100 GHz
1,5m
Princip realizace
submikronového hradla
0,5m
S
G
D
• Oscilátory, směšovače do
100 GHz
• Přepínače, zeslabovače do
35 GHz
• Logické obvody DCFL,
děličky kmitočtu do 12 GHz
• Monolitické IO
Kanál
0,1m
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