1 / 26

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 5. Tranzistory, řízené polem (FETy)

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 5. Tranzistory, řízené polem (FETy). Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc. Unipolární tranzistory. Tranzistory řízené polem. (FETy - Field Effect Tranzistors). Nebo jiný název. (Procesů se účastní pouze nosiče jednoho znaménka). FET - Součástka se třemi elektrodami :

tale
Download Presentation

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 5. Tranzistory, řízené polem (FETy)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY5. Tranzistory, řízené polem (FETy) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

  2. Unipolární tranzistory Tranzistory řízené polem (FETy - Field Effect Tranzistors) Nebo jiný název (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)

  3. Kanál N G D S -E Tranzistory řízené polemÚvod • 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)

  4. Schématická značka (kanál N) D NP … dotace hradla Vyprázd. oblast P++ G G S D d0 Kanál N 2a S Pro kanál P má šipka opačný směr G Lg ND … dotace kanálu Tranzistor JFETStruktura • 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

  5. UGS=0 V 0 V 0 V G S D d0 Kanál N 2a G Lg G UGS=Up0 0 V 0 V G UGS=-1 V S D 0 V 0 V S D d UGS=Up0 G UGS=-1 V G Tranzistor JFETPopis činnosti při UDS = 0 V 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:

  6. G UGS=-1 V UDS = +5 V S D d 0 V UGS=-1 V G Tranzistor JFETPopis činnosti při předpětí hradla i kolektoru Při růstu napětí UDS roste proud kolektoru ID ale protože se současně dále zaškrcuje kanál, neroste lineárně: Velmi důležitým parametrem, zachycujícím zesilovací schopnost tranzistoru FET je přenosová vodivost gm (strmost), která je na nízkých kmitočtech shodná s parametrem y21:

  7. ID/I0 UGS/Up0 = 0 1 Převodní charakteristiky Kolektorové charakteristiky 0,1 ID UDS> Up0 UDS = Up0 0,2 I0 UDS< Up0 0,4 0,8 1 UDS/Up0 Up0 UGS Tranzistor JFETCharakteristiky

  8. ID/I0 UGS = 0 1 G UDS>Up Oblast saturace S D G Up-U1 U1 1 UDS-Up zaškrcená část UDS/Up0 Tranzistor JFETCharakteristiky Kolektorové charakteristiky pro vyšší napětí UDS Jakmile se kanál zaškrtí (UDS=Up), přestane mít zvyšování napětí UDS vliv na proud kolektoru – dojde k saturaci:

  9. Převodní charakteristiky Režim obohacování ID Režim ochuzování Up02 Up01 UGS Tranzistor JFETRežimyčinnosti • Režim ochuzování: Up0 0 • při nulovém UGStranzistorem teče proud • pracovní režim: UGS 0 • kanál se přiloženým záporným napětím přivírá • dobrá linearita, dobré šumové vlastnosti, vysoké kmitočty, velká spotřeba • B)Režim obohacování: Up0 0 • při nulovém UGS tranzistorem neteče proud • pracovní režim: UGS  0 • nízká spotřeba, horší šum, horší vf vlastnosti

  10. RG G D CDG GD RD ID CG Ri RS S Tranzistor JFETLinearizované vf náhradní schéma A) Vnitřní tranzistor bez šumu CG … kapacita vyprázdněné oblasti přechodu G-S Ri … nabíjecí odpor hradla ID = UGSgm0 … náhradní proudový zdroj kolektoru GD = ID/UDS … výstupní diferenciální vodivost CDG … mezielektrodová kapacita RG, RS, RD … přívodní odpory elektrod

  11. uGn RG CDG GD uDn RD D G iDn ID CG CDS CGS Ri RS uSn S Tranzistor JFETLinearizované vf náhradní schéma B) Úplné schéma CGS, CDS … vnější mezielektrodové kapacity uGn, uSn, uDn … šumová napětí tepelného šumu parazitních odporů RG, RS, RD iDn … šumový proudový zdroj kanálu (výstřelový šum)

  12. wG G D S ND d LG Tranzistor JFETDynamické vlastnosti Pro JFET je z hlediska dynamických vlastností kritická doba průchodu nosičů kanálem (přesněji pod hradlem) G: kde: v … je rychlost nosičů pod hradlem CG0 … je kapacita hradla při UGS = 0 V Tranzitní kmitočet: Maximální dosažitelný zisk:

  13. Řez strukturou P++ G S D 2 m Kanál N 200 m Podložka P- Materiál – obvykle Si Tranzistor JFETSkutečné provedení, vlastnosti, aplikace • Vlastnosti - Aplikace • Vysoká vstupní impedance • Dobrá odolnost proti statické elektřině • Dobrá zatížitelnost • Velké zbytkové napětí • Technologie kompatibilní s bipolárními tranzistory • Vhodné jako vstupní tranzistory v bipolárních integrovaných obvodech • Nevhodné pro spínání velkých proudů

  14. Řez strukturou s kanálem N Přechod kov - polovodič D N++ G S D G 1 m Kanál N S 100 m Intrinzická podložka (bez dotace) Šipka označuje propustný směr přechodu hradlo - kanál Materiál – obvykle GaAs Tranzistor MESFET MESFET = Metal – Semiconductor = přechod Kov – polovodič Schématická značka

  15. Tranzistor MESFETVlastnosti • DALŠÍ VLASTNOSTI: • Citlivé na statickou elektřinu (Schotkyho přechod). • 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 • ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI: • Funkce obdobná jako JFET • 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

  16. D S G D 0,5m 1,5m Princip realizace submikronového hradla 0,5m S G D 0,1m Kanál Tranzistor MESFETAplikace • APLIKACE: • Typický mikrovlnný tranzistor pro kmitočty 1 – 100 GHz: • Zesilovače do 100 GHz • Oscilátory, směšovače do 100 GHz • Přepínače, zeslabovače do 35 GHz • Logické obvody DCFL, děličky kmitočtudo12 GHz • Monolitické IO

  17. S D N++ GaAs G N+ GaAs Intrinzický AlGaAs Vrstva HEM Intrinzický GaAs Semiizolační GaAs Tranzistor HEMT(High Electron Mobility Tranzistor) • VLASTNOSTI, APLIKACE: • Vysoká strmost gm0  vysoký kmitočet fT • Nízké odpory přívodů RS, RG, RD  nízký šum F  0,2 dB/12 GHz • Velmi citlivý na statickou elektřinu a na přetížení • Typický nízkošumový vysokofrekvenční tranzistor (pro pásmo 10 GHz – 100 GHz) • Nevhodný na kmitočty f  1 GHz STRUKTURA: Kanál je tvořen velmi tenkou vrstvou s vysokou pohyblivostí elektronů HEM

  18. Bez předpětí hradla: S předpětím hradla: Izolující vrstva oxidu SiO2 UGS =  2 V UDS = + 5 V UDS = + 5 V G G S D S D Si N+ Si N+ Si N+ Si N+ Zabudovaný kanál N Podložka: Si – P- Podložka: Si – P- Tranzistorem protéká proud Běžný režim: UDS = 5 V, UGS = - 2 V, pracuje v režimu obohacování i ochuzování Tranzistor MOSFET(Metal Oxid Semiconductor FET) Struktura se zabudovaným kanálem typu N:

  19. S kladným předpětím hradla Bez předpětí hradla: Indukovaný kanál N Izolující vrstva oxidu SiO2 Izolující vrstva oxidu SiO2 UDS = + 5 V G G S D S D Si N+ Si N+ Si N+ Si N+ Podložka: Si – P- Podložka: Si - P Běžný režim: UDS = +5 V, UGS = + 3 V, pracuje pouze v režimu obohacování Tranzistorem neprotéká proud Tranzistor MOSFET STRUKTURA S INDUKOVANÝM KANÁLEM TYPU N:

  20. Tranzistor MOSFETVlastnosti, aplikace • Aplikace: • Vstupní stupně měřicích zesilovačů a zesilovačů slabých signálů čidel • Logické obvody s malou spotřebou a velkou integrací (CMOS) • Výkonové zesilovače do 2 GHz • Spínače a přepínače nízkého proudu • Nevhodné pro spínače velkého proudu • Základní vlastnosti: • Vysoká impedance hradla (y11~ 1013 – 1015) • 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

  21. D + D + G + B B G - S - S - Lineární oblast UGS = 0 V Saturovaná oblast ID ID UGS = 5 UGS = -0,5 V UGS = 3 V UGS = -1 V UGS = 1.5 V UGS = -2 V UGS = -3 V UGS = 0.75 V UGS = 0.35 V UDS UDS Tranzistor MOSFETCharakteristiky Tranzistor s indukovaným kanálem typu N: Tranzistor se zabudovaným kanálem: V oblasti saturace roste proud!

  22. Tranzistory FETTypologie • Typy kanálu: • Zabudovaný kanál typu N nebo P • Indukovaný kanál typu N nebo P • Typy izolace hradla: • P-N přechod • 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

  23. Tranzistor IGBTPrincip 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

  24. S2  E3 (n+) G (+) E (-) T2 G (+) SiO2 Náhradní schema: Rb C + T1 D2 C1: p+ T1 E1 B1 T3 T2 B1: n- D2 C1 G T3 S2 Rb B1: n+ E3 E1: p+ E C (+) C G E Tranzistor IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor Schématická značka: kanál N

  25. Tranzistor IGBTVlastnosti, 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 Imax fmax • 1 600 V 1 200 A 20 kHz • 4 500 V 4 000 A 300 Hz • Použití: • Hlavně ke spínání ve výkonových měničích a regulátorech pro pohon trakčních motorů

  26. Parazitní indukčnost přívodů Třípulzní třífázový usměrňovač Třífázový střídač s IGBT Lp D1  50 Hz 3AC R1  f Hz 3AC C0 U0 C1 Sběrací kondenzátor Přepěťová ochrana Tranzistor IGBTPříklad aplikace idm.... je max. ss proud tranzistorem UCEM.... je max. přípustná velikost spínaného napětí

More Related