Budowa Metoda wytwarzania
advertisement
Budowa Tranzystor JFET (zwany też PNFET) zbudowany jest z płytki z jednego typu półprzewodnika (p lub n), która stanowi tzw. kanał. Na jego końcach znajdują się styki źródła (ang. source - S) i drenu (ang. drain - D). Dookoła środkowej części kanału (lub po obu jego stronach) występuje bramka - obszar półprzewodnika przeciwnego typu - jeżeli kanał jest typu n, to bramka jest typu p, i odwrotnie - gdy kanał jest typu p, to bramka jest wykonana z półprzewodnika typu n. Powstałe złącze bramka-kanał polaryzuje się zawsze zaporowo. Dlatego tranzystor JFET wykazuje dużą rezystancję wejściową (rzędu GΩ - odpowiadającą rezystancji złącza p-n spolaryzowanego zaporowo. Na rysunkach pokazane są symbole graficzne tranzystorów polowych złączowych JFET. Zwrot strzałki na rysunku wskazuje kierunek przepływu prądu w przypadku, gdy bramka jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Metoda wytwarzania Wszystkie tranzystory JFET wytwarza się z półprzewodników monokrystalicznych. Sposób wykonania tranzystora z kanałem typu n jest następujący: • • • • na płytce podłoża wykonanej z krzemu typu p+ (dolna bramka) nanosi się warstwę epitaksjalną typu n (która stanowi kanał tranzystora) w warstwie epitaksjalnej metodą dyfuzji wytwarza się warstwę p+ (górna część bramki) wykonuje się kontakty metalowe do warstw p+ (styki omowe obu części bramki) na końcu wykonuje się styki do kanału typu n (kontakty źródła i drenu) Zasada działania Przy małej wartości napięcia dren – źródło (UDS ≥ 0) oraz przy braku polaryzacji bramki (UGS = 0) warstwa zaporowa złącza bramka – kanał wnika na niewielką głębokość do obszarów kanału. Ponieważ obszar bramki jest o kilka rzędów wielkości silniej domieszkowany niż obszar kanału, warstwa zaporowa wnika o wiele głębiej do kanału niż do bramki. W przypadku przyłączania napięcia UDS pomiędzy drenem a źródłem popłynie prąd drenu ID, zależny liniowo od napięcia UDS. Prąd ten jest prądem nośników większościowych (elektronów w przypadku kanału typu n, dziur w kanale typu p). Gdy wzrasta napięcie UGS (polaryzacja zaporowa złącza bramka-kanał), warstwa zaporowa rośnie, kanał się zawęża. Rezystancja kanału rośnie, a wartość prądu drenu maleje. Przy dalszym wzroście napięcia nastąpi zetknięcie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału. Prąd drenu maleje do zera. Ten stan tranzystora nazywa się odcięciem (ang. pinch-off) lub zatkaniem. Wartość napięcia UGS przy której tranzystor wchodzi w ten stan, nazywa się napięciem odcięcia (ang. pinch-off voltage) lub zatkania i jest oznaczana przez UGS. Dalszy wzrost napięcia UGS nie wpływa na prąd drenu, a w skrajnym wypadku może doprowadzić do przebicia złącza bramka-kanał. W stanie zatkania tranzystor posiada bardzo dużą rezystancję między źródłem a drenem, rzędu gigaomów. Teoretycznie tranzystor polowy złączowy może też pracować przy napięciu UGS polaryzującym złącze bramka-kanał w kierunku przewodzenia, jeśli tylko to napięcie jest mniejsze od napięcia dyfuzyjnego dla złącza (ok. 0,7 V w tranzystorze krzemowym). Wówczas tranzystor ma małą rezystancję wejściową i w obwodzie bramka-źródło płynie dość duży prąd przewodzenia. Prąd drenu zachowuje stałą wartość, niezależnie od napięcia UDS. O tak działającym tranzystorze mówi się, że pracuje w obszarze nasycenia, gdzie prąd drenu nie zależy od napięcia dren-źródło, ale zależy od napięcia na bramce UGS. Parametry pracy i charakterystyki Napięcie UDS, przy którym tranzystor przechodzi w stan nasycenia, oznacza się UDSSAT (ang. saturation - nasycenie). Zależy ono od napięcia na bramce - UGS. Dla UGS = 0 V napięcie saturacji jest równe napięciu odcięcia. Charakterystyka wyjściowa Charakterystyka wyjściowa tranzystora przedstawia graficznie zależność prądu drenu ID od napięcia dren-źródło UDS, przy stałym napięciu bramka-źródło UGS. Napięcie UGS = 0 odpowiada zwarciu bramki ze źródłem. Prąd drenu, który płynie przy bramce zwartej ze źródłem oznacza się symbolem IDSS. Pierwsza litera S oznacza nasycenie (ang. saturation), druga zwarcie (ang. shorted). W obszarze nasycenia, czyli dla płaskich części charakterystyk wyjściowych, prąd drenu można wyznaczyć z następującego wzoru: Dla danego tranzystora wartości IDSS i UP są stałe, więc prąd drenu zależy tylko od napięcia UGS. Ze wzoru wynika, że dla UGS równego napięciu odcięcia prąd drenu nie płynie, czyli ID = 0. Charakterystyka przejściowa Charakterystyka przejściowa tranzystora JFET wyraża zależność prądu drenu ID od napięcia bramka-źródło UGS. Nachylenie stycznej do charakterystyki przejściowej stanowi wartość konduktancji przejściowej w danym punkcie. Obliczając ze wzoru na ID pochodną względem napięcia UGS można otrzymać wzór na zależność konduktancji przejściowej od napięcia UGS. Największa wartość nachylenia stycznej wystąpi dla UGS = 0. Wówczas Ze wzrostem napięcia UGS wartość konduktancji przejściowej maleje. Przy małych wartościach napięcia dren-źródło tranzystor może pełnić rolę rezystora o rezystancji zmienianej za pomocą napięcia UGS. Wartość dynamicznej rezystancji wyjściowej można obliczyć ze wzoru gdzie K jest stałą. Dla UGS = UP wartość rezystancji wyjściowej dąży do nieskończoności. W stanie odcięcia tranzystora, przy zamkniętym kanale, płynie prąd upływu ID(OFF) rzędu nanoamperów. Ten sam rząd wielkości ma prąd bramki płynący przy zaporowej polaryzacji złącza bramka-kanał. Prąd ten, oznaczany IGSS, zależy wykładniczo od temperatury. Jego wzrost powoduje zmniejszanie się rezystancji wejściowej tranzystora pod wpływem temperatury. Wiele tranzystorów polowych może równie dobrze pracować w połączeniu normalnym, jak i inwersyjnym (źródło zamienione z drenem). Żadna z tych elektrod nie jest specjalnie wyróżniona. Pomiar charakterystyk Badanie charakterystyk tranzystora JFET przeprowadza się w układzie jak na rysunku: • • • • T - tranzystor JFET z kanałem typu n R1 - rezystor 57 kΩ R2 - rezystor 1 kΩ P1, P2 - potencjometry o nominalnej rezystancji 10 kΩ (służące jako dzielniki napięcia) Aby wyznaczyć charakterystykę wyjściową, należy ustalić napięcie UGS. Zwiększając napięcie UDS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu ID. Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie UGS. Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia źródło-dren tworzą charakterystykę wyjściową. Aby wyznaczyć charakterystykę przejściową, należy ustalić napięcie UDS. Zwiększając napięcie UGS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu ID. Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie UDS. Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia bramka-źródło tworzą charakterystykę przejściową. Zastosowanie Tranzystory JFET są często wykorzystywane w konstrukcji wzmacniaczy sygnałów. Część wzmacniaczy operacyjnych działa również wykorzystując tranzystory JFET. Jednakże do tych celów można wykorzystywać różne typy tranzystorów, także bipolarne czy z izolowaną bramką (choć te rzadziej). Natomiast jako rezystor sterowany napięciem może być użyty tylko tranzystor polowy. Potencjometr sterowany napięciem W stanie nienasyconym tranzystor JFET może być wykorzystany jako potencjometr o wartości rezystancji regulowanej napięciem. Jest to możliwe dlatego, że dla niewielkich wartości napięcia UDS prąd ID jest praktycznie wprost proporcjonalny do napięcia UDS. Nachylenie charakterystyki wyjściowej jest zależne od napięcia na bramce – UGS, a to znaczy, że konduktancją wyjściową tranzystora (a zatem rezystancją) można sterować za pomocą przykładania napięcia na bramkę. Takie zachowanie można jednak wykorzystywać tylko w niewielkim zakresie napięć dren-źródło. Aby rozszerzyć użyteczność takiego rozwiązania, stosuje się tzw. ujemne sprzężenie zwrotne. Polega ono na tym, że część napięcia UDS jest podana przy pomocy dzielnika napięciowego na bramkę tranzystora. Źródło prądowe ze sprzężeniem zwrotnym Układ źródła prądowego charakteryzuje się tym, że prąd I przezeń płynący jest względnie niezależny od napięcia U. W przykładowym układzie zmiana wartości rezystora R powoduje zmianę wielkości prądu. Działanie układu polega na zastosowaniu sprzężenia zwrotnego. Gdy układ zostanie podłączony do zasilania, w pierwszej chwili przez tranzystor nie płynie prąd. Zatem spadek napięcia na rezystorze będzie równy 0, jak również napięcie UGS będzie równe 0. Jednak zerowa wartość napięcia bramka-źródło umożliwia przepływ dużego prądu przez kanał tranzystora. W związku z tym prąd zacznie wzrastać i na rezystorze pojawi się spadek napięcia, zgodnie z prawem Ohma. Będzie on polaryzował bramkę ujemnie, co spowoduje zawężanie kanału. Ostatecznie układ wejdzie w stan równowagi. Bibliografia: - http://zbyszek.ovh.org/jfet/index.html
