1.5.1 Rad tranzistora s efektom polja

 

Način izvedbe tranzistora s efektom polja prikazuje slika 1.5-1(a). Stezaljke nazvane uvod (S - source), odvod (D - drain) i nadzorna,upravljačka elektroda (G - gate) priključene su preko metalnog kontakta, omskog karaktera, na p ili n tip poluvodičkog materijala. Donji zasun ne predstavlja četvrtu stezaljku jer je unutar elementa električki povezan na gornji zasun i nije neposredno dostupan. Stezaljke uvoda, odvoda i zasuna tranzistora s efektom polja grubo odgovaraju stezaljkama emitera, kolektora odnosno baze kod bipolarnog tranzistora. Poluvodički materijal koji povezuje uvod i odvod određuje tip kanala. Kanal je područje duljine L, širine Z i dubine a koje odvaja dva pn spoja. Na slici 1.5-1 prikazan je n-kanalni tranzistor. Postoji i p-kanalni element. Kod tipičnog FET tranzistora, razina dopiranja kanala je niža u odnosu na razinu dopiranja poluvodičkog materijala nadzorne elektrode. To znači da je osiromašeni sloj puno širi na strani kanala pn spoja negoli na drugoj strani koja je bliža nadzornoj elektrodi. Dakle, kada se govori o širini osiromašenog područja uglavnom se govori o dijelu kanala.

Slika 1.5-1(b) prikazuje simbole n i p kanalnog FET tranzistora. Stezaljka zasuna nosi strelicu koja pokazuje dogovoreni smjer struje zasuna u slučaju kada je pn spoj zasun - uvod propusno polariziran.

sl_151.gif (8072 bytes)

Slika 1.5-1 (a) Izvedba i (b) simboli tranzistora s efektom polja

Opis rada n-kanalnog FET tranzistora prikazan je na slici 1.5-2. U normalnom radu spoj zasun - uvod je nepropusno polariziran naponom uGS, te postojanje napona uDS, od odvoda do uvoda, ima za posljedicu tok struje odvoda. Dogovoreni polariteti napona uGS i uDS za navedeni slučaj prikazani su na slici 1.5-2(a). Kod n-kanalnog FET tranzistora, polaritet napona uGS ima suprotnu vrijednost, dok je napon uDS pozitivan. Budući prevladavajuća struja od odvoda do uvoda teče u samo jednom tipu poluvodiča, i to u slučaju n-kanalnog FET-a kroz n tip, tranzistor s efektom polja se naziva i unipolarnim tranzistorom za razliku od bipolarnog tranzistora kod kojeg struje teku kroz dva tipa poluvodiča.

sl_152_a.gif (5236 bytes)

sl_152_b.gif (5248 bytes)

sl_152_c.gif (5341 bytes)

Slika 1.5-2 Modeli prikladni za opis načina rada FET tranzistora

 

Pri opisu rada FET tranzistora pretpostavlja se da je na početku napon uGS = 0. Kada je iznos napona uDS vrlo mali, osiromašeni sloj je razmjerno tanki i struja iD koja teče od uvoda do odvoda je malog iznosa. Struji odvoda se kanal čini kao otpornik, te je odnos struje iD prema naponu uDS moguće opisati Ohm-ovim zakonom na način da kada uDS raste od nule prema večim vrijednostima, linearno raste struja iD . Prolaz struje kroz kanal dovodi do smanjenja napona, tako da je potencijal u kanalu blizu uvoda niži od potencijala blizu odvoda. Budući je UGS = 0, napon u kanalu uzrokuje nepropusnu polarizaciju pn spoja i širi osiromašeno područje. Kako se smanjuje napon u kanalu, osiromašeni sloj se širi od uvoda prema odvodu, slika 1.5-2(b). Porastom napona uDS prošireni osiromašeni sloj čini značajan dio širine kanala. Budući nikakva struja ne teče u osiromašeno područje, proširenje osiromašenog sloja smanjuje područje kanala, a time povečava njegov efektivni otpor, što dovodi do smanjenja struje. Ohm-ov zakon sada ne vrijedi i porast struje iD nije više u linearnom odnosu s naponom uDS. Ako napon uDS i dalje raste dolazi do gotovo potpunog zauzeća kanala od strane osiromašenog sloja, slika 1.5-2(c). U tom trenutku uz daljnji porast napona uDS struja ID poprima stalni iznos. Iznos napona uDS kod kojeg struja poprima stalnu vrijednost se naziva naponom dodira FET tranzistora i označava kao -Up. Kod n-kanalnog FET-a, Up se izražava kao negativna veličina, te je - Up pozitivan. Tipične vrijednosti napona dodira iznose od -2 do -6 V. Dakle, kod napona dodira, uDS = -Up. Kada je napon uDS 3 -Up, struja odvoda iD » stalna = IDSS. Struja IDSS se naziva strujom zasićenja odvod-uvod. Ponašanje odnosa struje id prema naponu uDS, uz uGS = 0 prikazuje slika 1.5-3(b). Na slici 1.5-3(b), prikazan je i napon proboja FET tranzistora, UDGO, kod kojega u kanalu blizu odvoda, gdje se nalazi najveće nepropusno polarizirano područje, dolazi do proboja spoja odvod-zasun. Vrijednosti napona proboja se kod većine FET tranzistora kreću u rasponu od 20 do 50 V.

sl_153.gif (8894 bytes)

Slika 1.5-3 Karakteristike FET tranzistora: (a) struja iD prema naponu uGS u području praga i (b) struja iD prema naponu uDS uz napon uGS kao parametar

 

Budući tranzistori s efektom polja u slučaju kada je napon uGS različit od nula redovno rade s nepropusno polariziranim spojem zasun uvod, kod analize rada FET tranzistora, dovoljno je analizirati samo vrijednosti napona za koje je uGS < 0. Budući napon uGS uzrokuje nepropusnu polarizaciju, on teži proširiti osiromašeno područje duž cijelog kanala, koji pak uz određenu vrijednost uDS smanjuje struju iD. Napon uGS ujedno uzrokuje smanjenje vrijednosti napona uDS kod kojeg dolazi do napona dodira tranzistora. Osim toga, napon uGS djeluje na povećanje ukupnog pada napona od odvoda do zasuna, tako da se vrijednost napona uDS kod kojeg dolazi do proboja smanjuje za . Do proboja dolazi kada je uDG = UDGO, dakle

 

                                                                                        (1.5-1)

 

odnosno

 

                                                (1.5-2)

 

Navedena djelovanja prikazuju iD-uDS karakteristike na slici 1.5-3(b).

U prikazanim karakteristikama se pretpostavlja da je IDSS = 20 mA, Up = -4 V, a UDGO = 24 V.

 

U omskom području, gdje se FET tranzistor ponaša kao naponsko zavisni otpornik, struja odvoda je određena izrazom

 

                                                                (1.5-3)

 

Za male vrijednosti napona uDS

 

                                                                                (1.5-4)

 

pri čemu rDS predstavlja nadomjesni otpor kanala FET tranzistora

 

                                                                        (1.5-5)

 

Omsko područje prestaje kada je napon uDS dovoljno velik da tranzistor radi u aktivnom području, a do kojega dolazi kada je napon nepropusne polarizacije između odvoda i zasuna na kraju kanala bliskom odvodu, jednak -Up. Navedeni uvjet znači da je napon uDG = -Up te budući je

 

                                                                                                    (1.5-6)

omsko područje prestaje kada je

                                                                                                    (1.5-7)

U tom slučaju izraz za struju iD slijedi iz izraza (1.5-3)

(granica omskog područja)                                                         (1.5-8)

Jednadžba određuje granice prikazane na slici 1.5-3(b). Vrijednosti struje iD na granici između omskog i aktivnog područja moraju biti jednake vrijednostima struje iD u aktivnom području, budući je tu struja u idealnom slučaju stalnog iznosa. Dakle, iz izraza (1.5-8) uz zamjenu (1.5-7), izraz za struju u aktivnom području glasi

                                                                                        (1.5-9)

Grafički prikaz struje iz prethodnog izraza dat je na slici 1.5-3(a).

Primjer 1.5-1

Reverzna je struja zasićenja tranzistora s efektom polja IDSS = 32 mA, a napon je praga Up = -5 V. Tranzistor je polariziran na način da kod napona uDS = 4 V, struja odvoda iznosi iD = 27 mA. Treba odrediti iznos napona uGS i područje rada tranzistora.

Rješenje 1.5-1

Iz izraza (1.5-8) uz uDS = 4 V, granica omskog područja je kod struje

Budući je struja iD , uz uDS veća od 20.48 mA, tranzistor radi u omskom području. Iz izraza (1.5-3) slijedi

 

povratak