Unipolarni tranzistori ili Tranzistori s efektom polja (FET)

1. Unipolarni tranzistori ili Tranzistori s efektom polja (FET)

2. Unipolarni tranzistori - općenito • Poput bipolarnih: (najčešće) 3 elektrode, koriste se za pojačanje i kao sklopka • Osnovna razlika: izlazna struja upravljana ulaznim naponom (praktično nema ulazne struje), tj. el. poljem nastalim kao posljedica ulaznog napona – zato ime FET (eng. Field Effect Transistor – Tranzistor s Efektom Polja) • Rad ovisan samo o većinskim nositeljima, ne i manjinskim - samo jedan polaritet nositelja naboja – zato se još zovu i unipolarni tranzistori (za razliku od bipolarnih, čiji rad temeljno zavisi o oba polariteta nositelja naboja, tj. o većinskim ali i manjinskim nositeljima)

3. Dva osnovna konstrukcijska oblika: - spojni tranzistoris efektom polja (Junction Field Effect Transistor – JFET) - metal-oksid-poluvodič tranzistors efektom polja (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET) • Imaju 3 elektrode: -  upravljačka elektroda ili vrata (G – gate) -  odvod ili ponor (D – drain) -  uvod ili izvor (S- source) • Slično kao što kod BJT imamo NPN i PNP tip, i kod FET-a imamo 2 tipa: N-kanalni i P-kanalni. Princip rada je potpuno isti, samo što su polarizacije napona za P-kanalni obrnute od N-kanalnog. • Temeljni princip rada objasnit će se na N-kanalnom tipu

4. JFET Simboli JFET-a sa oznakama elektroda (G,D,S) a)      N – kanalni JFET; b) P – kanalni JFET (često se koriste simboli bez kruga)

5. Konstrukcija N-kanalnog JFETa • “Blok” N-tipa poluvodiča ponaša se kao običan otpornik • Ovaj “blok” zove se kanal • U kanal je ugrađen jako onečišćen P-tip poluvodiča • Osiromašeno područje PN spojeva (na slici bijelo) čini kanal nešto užim • Izlazna struja ID protječe kroz kanal

6. Priključivanjem vanjske elektrode (G) na P-tip poluvodiča dobiva se mogućnost upravljanja širinom osiromašenog područja vanjskim naponom • Stoga i ime: G = upravljačka elektroda ili vrata • Posljedica: mijenjanjem potencijala G upravljamo širinom kanala, pa samim tim i otporom kanala, a onda (Ohmov zakon) i izlaznom strujom ID • Krajni rezultat: ulazni napon (između G i S) upravlja izlaznom strujom (ID)

7. Na G se uvijek priključuje ulazni napon UGS tako da se ostvari zaporna polarizacija PN spoja (za N kanalni JFET, ovo znači da potencijal G mora biti manje od 0.7V pozitivniji od potencijala S) • Stoga, ulazna struja (u G) je zanemarivo mala (sjetimo se, kroz zaporno polariziran PN spoj teče samo vrlo mala struja manjinskih nositelja) • Na ovaj način je postignuto da jedino iznos ulaznog napona (zanemarujući vrlo malu ul.struju) utječe na protjecanje većinskih nositelja (za N-kanalni, elektrone) kroz kanal, tj. na iznos izlazne struje ID Kako ulazni napon UGS upravlja izlaznom strujom ID ? OSNOVNI PRINCIP: veći UGS→ veća zaporna polarizacija → šire osiromašeno područje → uži kanal → veći otpor kanala → manja izlazna struja ID Ilustracija na primjeru slijedi…→

8. Smanjimo potencijal upravljačke elektrode… • G je 2V negativniji od S (dakle, UGS = -2V): veća zaporna polarizacija PN spojeva → osiromašeno područje se proširi • P strana znatno više onečišćena od N strane - širenje osiromašenog područja je gotovo isključivo u kanal . • Rezultat: kanal je uži što je G na nižem potencijalu, tj. što je veća zaporna polarizacija PN spojeva → ID manja *Napomena: strelica preko simbola baterije sugerira varijabilnost (da se napon baterije mijenja)

9. Još smanjimo potencijal upravljačke elektrode… • G je za 3V negativniji od S : osiromašeno područje se još više proširi – kanal još uži – otpor kanala još veći - izlazna struja ID još manja (sve ovo uz konstantni izlazni napon UDS)

10. No ako dovoljno smanjimo potencijal upravljačke elektrode… • G je za 4V negativniji od S : osiromašeno područje se toliko proširi da potpuno zatvara čitav kanal ! • Izlazna struja ID=0 • Iznos ulaznog napona pri kojem osiromašeno područje postaje toliko široko da zatvori kanal zove senapon dodira ili napon prekida UP • Za ovaj primjer tranzistor ima UP=4V (inače ovo definira proizvođač)

11. Upravo opisani mehanizam ovisnosti izlazne struje ID o ulaznom naponu UGS grafički se prikazuje prijenosnom karakteristikom (slika) • Maksimalna izlazna struja ID je za ulazni napon UGS = 0V (najširi kanal) • Povećanje iznosa UGS smanjuje izlaznu struju • Minimalna izlazna struja (0 A) je za kada ulazni napon dosegne iznos napona dodira, tj. kada UGS = -UP(kanal je potpuno zatvoren) • Negativni predznak ulaznog napona UGS govori da je potencijal G manji od potencijala S. Ovo je nužno za normalan rad N-kanalnog JFET-a (za P-kanalni obrnuto – G bi morao biti na većem potencijalu od S), tj. za osiguravanje zaporne polarizacije PN spojeva na koji je UGS priključen, čime se ulazna struja praktično eliminira i osigurava upravljanje izlaznom strujom samo električnim poljem koje ulazni napon stvara.

12. Shema upravo opisanog upravljanja pomoću N-kanalnog JFET-a: • Što ako imamo P-kanalni JFET-a? • Opisani princip kontrole izlazne struje pomoću ulaznog napona ostaje potpuno isti, jedina razlika je što je kanal P-tip poluvodiča, u koji su “usađena” N područja (dakle, G je ovdje vezan za N-tip poluvodiča, a D i S za P-tip). Stoga je, za korektan rad P-kanalnog JFET-a potrebno samo okrenuti polarizacije napona (desna slika)

13. MOSFET MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): Metal – oksid –poluvodič FET ili Tranzistor s efektom polja s izoliranom upravljačkom elektrodom Osnovna karakteristika: • Kod ove vrste tranzistora uopće ne postoji vodljivi kontakt između upravljačke elektrode (G) i poluvodičkog materijala, pa ulazne struje nema (čak ni struje manjinskih nositelja, kao kod JFET-a) • Drugim riječima, vrlo veliki ulazni otpor (znatno veći od JFET-a → praktično beskonačan).

14. Općenito • Po električnim karakteristikama slični JFET-u • Princip rada i konstrukcija različiti od JFET-a • Posebno pogodni za izradu u integriranim krugovima – danas dominiraju (pogotovo digitalna elektronika) Dva tipa i dva “podtipa” (dakle, ukupno 4 različita tipa): • N-kanalni (N-MOSFET, ponekad NMOS) i P-kanalni (P-MOSFET, ponekad PMOS) • Svaki od ovih može biti osiromašenog i obogaćenog tipa

15. N – kanalni MOSFETobogaćenog tipa • Unutar podloge (substrata), sastavljene od poluvodiča P tipa, nalaze se dva jako onečišćena (zato N+, a ne N) područja sastavljena od poluvodiča N tipa. • Upravljačka elektroda (G) je električki izolirana od podloge, tj. od N područja (koja su spojena na elektrode odvod (D) i uvod (S)) slojem Silicij-dioksida (dobar izolator). • Dakle, kroz G ne može teći nikakva struja

16. Upravljačka elektroda (G) nalazi se na površini između izvoda i izvora. Zbog ove slojevitosti metal-oksid-poluvodič i nastao je naziv MOSFET.

17. Kako ulazni napon upravlja izlaznom strujom? • Ako nema ulaznog napona, nema kanala – nema izlazne struje ID • Obogaćeni tip se ponekad zove i “normalno isključen” (Normally OFF) tranzistor • Pod “normally” se podrazumjeva situacija kada ništa nije spojeno na G, a “ON” ili “OFF” su engleski nazivi za 2 stanja sklopke: “uključeno” ili “isključeno” • Da bi se tranzistor uključio (počeo voditi izlaznu struju), područje kanala (područje pri vrhu P-podloge) se treba “obogatiti” • Izlazna struja ID ne teče (praktično je 0), s obzirom da je desni PN spoj zaporno polariziran (N strana je na višem (pozitivnijem) potencijalu od P strane (podloge)). • Malu izl. struju uslijed manjinskih nositelja možemo za MOSFET zanemariti (uzeti da je 0)

18. Osnovni princip rada • Između G i podloge se formira el.polje tako da G (na + potencijalu) privlači elektrone (manjinske nositelje) iz P podloge, a odbija šupljine (većinske nositelje) • Elektroni se skupljaju na vrhu P podloge – koncentracija elektrona u ovom dijelu počinje rasti u odnosu na koncentraciju šupljina • Pri tome nema nikakve ulazne struje – za ovo je dovoljno samo el. polje koje se stvara između G “ploče” i P-podloge (koja je na nižem potencijalu od G)

19. Ako se ulazni napon UGS nastavi povećavati, sve više elektrona se skuplja pri vrhu P podloge i sve više šupljina se potiskuje dublje u podlogu. Drugim riječima, u području pri vrhu podloge (koja je P-tip poluvodiča) koncentracija manjinskih elektrona raste, a većinskih šupljina pada • Pri ovome je i dalje desni PN spoj zaporno polariziran (N strana je na većem potencijalu od P strane), pa i dalje nema izlazne struje ID. Osnovni princip rada

20. Ulazni napon UGS se dovoljno povećao da je koncentracija elektrona pri vrhu podloge dosegla koncentraciju šupljina – formiran je N kanal! Osnovni princip rada • Ako se UGS nastavi povećavati, za dovoljno velik iznos UGS koncentracija elektrona pri vrhu P podloge toliko poraste da se izjednači sa koncentracijom šupljina. Ovo područje više se ne ponaša kao P tip poluvodiča, već se može smatrati N tipom poluvodiča. Ovaj efekt se naziva inverzija kanala, a iznos napona koji je bio potreban za ovo je napon praga UP (u ovom primjeru UP =2V). Ovo “novoformirano” N-područje pri vrhu P podloge se naziva kanal. • Sada više nemamo 2 PN spoja, već samo 1, s obzirom da su 2 N područja sada “spojena” N-kanalom.Struja ID stoga počinje teći kroz kanal između D i S .

21. Prijenosna karakteristika grafički prikazuje kako ulazni napon UGS upravlja izlaznom strujom ID : Prijenosna karakteristika obogaćenog NMOSa • Dok UGS < UP NMOS je “izgašen” (nema kanala → nema izl. struje) • Nakon inverzije kanala (tj. nakon što UGS dosegne UP; u primjeru sa slike to je 2V ), daljnje povećanje ulaznog napona UGS povećava koncentraciju elektrona u kanalu (“obogaćuje” kanal), pa je otpor kanala sve manji →za UGS>UP izlazna struja ID (nelinearno sa UGS) raste sa rastom ulaznog napona UGS *Napomena: ovo je samo primjer prijenosne karakteristike obogaćenog NMOSa (sami iznosi se mogu jako razlikovati između pojedinih modela i proizvođača tranzistora)

22. Sve isto kao i obogaćeni osim što inicijalno ima kanal • Kanalom se upravlja podjednako kao kod obogaćenog tipa (dakle, pozitivniji potencijal G “podebljava” kanal, tj. povećava izl. struju ID) • Osnovna razlika – čak i ako nema ulaznog napona (UGS=0), kod osiromašenog tipa MOSFETa postoji kanal, pa samim tim i ID (“normally ON” tranzistori) • Posljedično, mogu raditi i za UGS<0 – pri tome se elektroni “odbijaju” iz kanala pa otpor kanala raste → struja pada – kanal se osiromašuje • Osiromašeni MOS-ovi mogu raditi u 2 moda rada: obogaćeni mod (UGS>0 – kanal se “obogaćuje”) i osiromašeni mod (UGS<0 – kanal se “osiromašuje”). Obogaćeni tip MOS-a ima samo obogaćeni mod (za UGS<0 ništa se ne događa) • Ako se UGS nastavi smanjivati, kada UGS <= UP (UP je kod osiromašenih NMOSa negativan) struja ID padne na 0 (toliko elektrona se odbije iz kanala, da kanal više ne postoji - tranzistor se “isključi”). • Dakle, da bi se osiromašeni MOS “isključio”, potrebno je dovesti negativan potencijal na G, i to toliki da je makar za iznos |UP| negativniji od S. Osiromašeni NMOS

23. Prijenosna karakt. grafički opisuje ovo što smo upravo pokazali, dakle kako ulazni napon UGS upravlja izlaznom strujom ID: • Kvalitativno, skoro sve isto kao kod obogaćenog NMOS-a • Zbog kanala koji postoji i bez dodatnog el.polja (koje izaziva UGS), izl. struja ID postoji i za UGS=0 Prijenosna karakteristika osiromašenog NMOSa • Za negativan UGS (tj. kada G postane negativniji od S), G počinje odbijati elektrone (“osiromašivati” kanal), pa se ID počinje smanjivati kako UGS postaje negativniji • Ako G postane dovoljno negativniji od S tako da dosegne napon praga (u ovom primjeru -1V), N kanal više ne postoji i izl. struja više ne teče (ID=0)

24. Simboli MOSFET-a *još različitih varijacija simbola (npr. simboli mogu biti unutar kružnice), no svi imaju zajedničko smjer strelice prema kanalu (N ili P kanalni) te izgled kanala (obogaćeni tip – isprekidana crta, osiromašeni tip – puna crta)

25. Kao pojačalo – npr. tzv. “strminsko pojačalo”: male promjene ulaznog napona UGS izazivaju velike promjene izlazne struje ID • Kao sklopka – ulazni napon određuje izlazni otpor između D i S: • JFET : • UGS = 0: zatvorena sklopka (točnije, izlazni otpor (između D i S) je vrlo male vrijednosti, dakle nije idealna zatvorena sklopka kod koje R=0) • UGS > UP : otvorena sklopka – zapiranje (kanal zatvoren), vrlo velik (gotovo beskonačan) izlazni otpor, ne teče izlazna struja • MOSFET (obogaćenog tipa) • UGS velik (UGS >> UP): zatvorena sklopka (točnije, izlazni otpor (između D i S) je vrlo male vrijednosti, dakle nije idealna zatvorena sklopka kod koje R=0) • UGS < UP : otvorena sklopka – zapiranje (“isključen” MOSFET), vrlo velik (gotovo beskonačan) izlazni otpor, ne teče izlazna struja Korištenje FET-ova

26. Osnovne relacije • Faktor naponskog pojačanja: govori koliko puta više se promijeni izlazni napon UDS u odnosu na promjenu ulaznog napona UGS za konstantnu izl.struju:  • Strmina: govori koliko se promijeni izlazna struja ID kao posljedica promjene ulaznog napona UGS za konstantni izl.napon:  • Dinamički izlazni otpor: govori koliko se promijeni izlazni napon UDS kao posljedica promjene izlazne struje ID za konstantni ul.napon: 

27. FET u odnosu na BJT • Prednosti FETova: • vrlo veliki ulazni otpor tj. gotovo nema ulazne struje – pogotovo MOSFET (upravljanje gotovo bez snage) – vrlo značajno u digitalnoj elektronici • opadanje struje povećanjem temperature • jednostavnost izrade • (Tipične) mane FETova: • veća nelinearnost (izl. struje sa ul. naponom) • manje pojačanje • za MOSFET-e: osjetljivost na statički elektricitet uslijed vrlo tankog dielektrika (otežano baratanje – običan dodir ruke može izazvati proboj)