4. lauko tranzistoriai - vgtu tranzistoriai.pdf · lauko tranzistoriai lauko tranzistoriuose (angl....
TRANSCRIPT
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
1
Lauko tranzistoriai
Lauko tranzistoriuose (angl. FET – field effect transistor) srovę kuria specialiai
sudaryto kanalo pagrindiniai krūvininkai. Kadangi srovę lemia vieno ženklo
krūvininkai, šie tranzistoriai dar vadinami vienpoliais tranzistoriais. Kanalo
laidumą ir juo tekančią srovę valdo statmenas srovės krypčiai elektrinis laukas.
Lauko tranzistoriaus n arba p kanalo (angl. – channel) gale sudaromi du
elektrodai. Elektrodas, per kurį į kanalą patenka pagrindiniai krūvininkai,
vadinamas ištaka (source). Elektrodas, per kurį pagrindiniai krūvininkai išteka,
vadinamas santaka (drain). Kanale tekančią srovę valdo trečiojo tranzistoriaus
elektrodo – užtūros (gate) – įtampa.
Pagal užtūros tipą lauko tranzistoriai skirstomi į lauko tranzistorius su
valdančiosiomis pn sandūromis (sandūrinius lauko tranzistorius) ir lauko
tranzistorius su izoliuotąja užtūra.
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
2
History
In 1926 Julius Edgar Lilienfeld applied for three patents. The first two, from 1926
and 1928, describe what we now call a field-effect transistor (FET) structure. The
first patent (J.E. Lilienfeld, Method and apparatus for controlling electric currents,
US Patent 1,745,175, application filed October 8, 1926, granted January 18,
1930) gives a MESFET or metal/semiconductor FET. The second patent (J.E.
Lilienfeld, Device for controlling electric current, US Patent 1,900,018 application
filed March 28, 1928, patented March 7, 1933) is derived from the first, and gives
a depletion mode MOSFET.
In 1960 Bell scientist John Atalla developed a new design (MOSFET) based on
William Shockley's original field-effect theories.
http://www.electro.patent-invent.com/electricity/inventions/fet.html#History
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
3
Lauko tranzistorių tipai
The FET is simpler in concept than the bipolar transistor and can be constructed from a
wide range of materials. The channel region of any FET is either doped to produce an N-
type semiconductor, giving an "N-channel" device, or with a P-type to give a "P-channel"
device. The doping determines the polarity of gate operation. The different types of field-
effect transistors can be distinguished by the method of insulation between channel and
gate:
The MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) utilizes an insulator
(typically SiO2).
The JFET (Junction Field-Effect Transistor) uses a p-n junction as the gate.
The MESFET (Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor) substitutes the p-n-junction
of the JFET with a Schottky barrier; used in GaAs and other III-V semiconductor
materials.
Using bandgap engineering in a ternary semiconductor like AlGaAs gives a HEMT (High
Electron Mobility Transistor), also called an HFET (heterostructure FET). The fully
depleted wide-band-gap material forms the isolation.
The MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor) uses a quantum well structure
formed by graded doping of the active region.
Among the more unusual body materials are amorphous silicon, polycrystalline silicon or
other amorphous semiconductors in thin-film transistors or organic field effect transistors
that are based on organic semiconductors and often apply organic gate insulators and
electrodes.
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
4
The FET is simpler in concept than the bipolar transistor and can be constructed from a
wide range of materials. The different types of field-effect transistors can be distinguished
by the method of isolation between channel and gate:
The MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) utilizes an isolator
(typically SiO2).
Power MOSFETs become less conductive with increasing temperature and can
therefore be thought of as n-channel devices by default. Silicon devices that use
electrons, rather than holes, as the majority carriers are slightly faster and can carry
more current than their P-type counterparts. The same is true in GaAs devices.
The JFET (Junction Field-Effect Transistor) uses a p-n junction as the gate.
The MESFET (Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor) substitutes the p-n-junction of
the JFET with a Schottky barrier; used in GaAs and other III-V semiconductor materials.
Using bandgap engineering in a ternary semiconductor like AlGaAs gives a HEMT (High
Electron Mobility Transistor), also named an HFET (heterostructure FET). The fully
depleted wide-band-gap material forms the isolation.
TFTs (thin-film transistor) use amorphous silicon, polycrystalline silicon or other amorphous
semiconductors as body material.
A subgroup of TFTs are organic field effect transistors that are based on organic
semiconductors and often apply organic gate insulators and electrodes.
The channel region of any FET is either doped to produce n-type semiconductor, giving an
"N-channel" device, or with p-type to give a "P-channel" device. The doping determines the
polarity of gate operation.
Lauko tranzistorių tipai
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
5
Lauko tranzistoriai
(FETs)
LT su valdančiosiomis
pn sandūromis –
sandūriniai LT
(JFETs)
LT su izoliuotąja užtūra
– MDP LT, MOP LT
(IG FETs, MISFETs,
MOSFETs)
LT su indukuotuoju
kanalu - praturtintosios
veikos LT
(E-MOSFETs)
LT su įterptuoju kanalu – nuskurdintosios-praturtintosios
veikos LT
(DE-MOSFETs)
Metalo-puslaidininkio
(MP) LT
(GAAS FETs,
MESFETs)Heterostruktūriniai LT –
didelio elektronų
judrumo LT
(HEMTs)
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
6
• Sandūriniai lauko tranzistoriai
• MOP tranzistoriai
• Lauko tranzistorių parametrai ir ekvivalentinės grandinės
• Lauko tranzistorių dažninės savybės
Lauko tranzistoriai
Tikslas:
• Išsiaiškinti sandūrinių lauko tranzistorių sandarą, veikseną,
charakteristikas, darinius
• Išsiaiškinti MOP tranzistorių sandarą, veikseną, charakteristikas,
darinius
• Išmokti skaičiuoti LT parametrus
• Išmokti sudaryti LT ekvivalentinių grandinių schemas ir apskaičiuoti jų
elementų parametrus
• Išsiaiškinti nuo ko, kaip ir kodėl priklauso LT dažninės savybės, kokiais
parametrais jos apibūdinamos ir nuo ko jie priklauso
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
7
Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena
LT kanalo storis ir jo skerspjūvio plotas priklauso
nuo valdymo įtampos, veikiančios tarp užtūros ir
ištakos. Įtampa sandūroms yra atvirkštinė.
Didėjant šiai įtampai, pn sandūros plečiasi, kanalo
storis mažėja, o jo varža didėja.
Jeigu tarp santakos ir ištakos veikia įtampa, tai,
didėjant kanalo varžai, silpnėja juo tekanti srovė.
Taigi užtūros įtampa gali valdyti tranzistoriaus
kanalo srovę.
Kad srovė būtų efektyviau valdoma, priemaišų
tankis kanale parenkamas daug mažesnis nei
priemaišų tankis užtūros srityje.
nn 2dbb −=( )
d
kUIn
q
22
N
UUbb
+−=
ε
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
8
Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena
Didėjant užtūros-ištakos įtampai,
pn sandūros plečiasi, kanalo storis
mažėja, o jo varža didėja.
Jeigu tarp santakos ir ištakos
veikia įtampa, tai, didėjant kanalo
varžai, silpnėja juo tekanti srovė.
Taigi užtūros įtampa gali valdyti
tranzistoriaus kanalo srovę.
Kad srovė būtų efektyviau
valdoma, priemaišų tankis kanale
parenkamas daug mažesnis nei
priemaišų tankis užtūros srityje.
nn 2dbb −=( )
d
kUIn
q
22
N
UUbb
+−=
ε
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
9
Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena
kd
2n
UI08
qU
NbU −=
ε
+
+−=
k0UI
kUIn 1
UU
UUbb
Santakos srovės priklausomybė
nuo įėjimo įtampos
Atkirtos įtampa
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
10
Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksenaSandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena
Jeigu didėja išėjimo
įtampa:
kanalu tekanti srovė
stiprėja;
mažėja kanalo storis
prie santakos, didėja jo
varža.
Susilietus pn
sandūroms, per
tranzistorių tekanti
srovė beveik
nebestiprėja – įtampos
prieaugis krinta
nuskurdintajame
sluoksnyje...
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
11
Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena
Veikiant išėjimo įtampai, nuskurdintajame
sluoksnyje susidaro elektrinis laukas. Kanalu
tekant srovei, šis elektrinis laukas pagauna
priartėjusius prie nuskurdintojo sluoksnio
elektronus ir perneša juos prie santakos.
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
12
Sandūrinio lauko tranzistoriaus sandara ir veiksena
1. Lauko tranzistoriaus srovę valdo ne įėjimo srovė, kaip dvipoliame
tranzistoriuje, o įėjimo įtampa.
2. Lauko tranzistoriaus įėjimo grandinėje yra užvertoji pn sandūra. Todėl jo
įėjimo varža didelė – megaomų eilės.
3. Galimos kelios sandūrinio lauko tranzistoriaus būsenos: uždaroji, ominės
veikos, soties ir pramušimo.
4. Įjungto pagal bendrosios ištakos schemą lauko tranzistoriaus įėjimo srovė
silpna, todėl tranzistoriaus savybėms nusakyti pakanka vienos
voltamperinių charakteristikų šeimos, vaizduojančios, kaip tranzistoriaus
išėjimo srovė priklauso nuo įėjimo įtampos ir išėjimo įtampos. Praktikoje
naudojami du lauko tranzistorių statinių voltamperinių charakteristikų tipai
– perdavimo charakteristikos ir išėjimo charakteristikos.
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
13
Sandūrinio lauko tranzistoriaus statinės charakteristikos
Silpnų virpesių stiprintuvų grandinėse sudaromos sandūrinių lauko
tranzistorių soties veikos sąlygos. Tada santakos srovė priklauso nuo
įėjimo įtampos:2
0UI
UImaxSS 1
−=U
UII
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
14
Sandūrinių lauko tranzistorių dariniai
Planarusis sandūrinis ir metalo-puslaidininkio struktūros lauko tranzistoriai
Vienas svarbiausių lauko tranzistoriaus parametrų yra perdavimo
charakteristikos statumas. Jis didėja stiprėjant per tranzistorių tekančiai srovei.
Tačiau tranzistoriaus darbo tašką reikia parinkti taip, kad, veikiant įėjimo
įtampai, jo sandūros liktų užvertos. Taigi galimybės parinkti stipresnę santakos
srovę ir gauti didesnį statumą yra ribotos. Pavojaus, kad užtūra atsivers,
nebūna, jeigu tarp jos ir kanalo yra ne pn sandūra, o dielektriko sluoksnis.
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
15
LT su izoliuotąja užtūra
– MDP LT, MOP LT
(IG FETs, MISFETs,
MOSFETs)
LT su indukuotuoju
kanalu - praturtintosios
veikos LT
(E-MOSFETs)
LT su įterptuoju kanalu – nuskurdintosios-praturtintosios
veikos LT
(DE-MOSFETs)
Heterostruktūriniai LT –
didelio elektronų
judrumo LT
(HEMTs)
MOP tranzistoriai
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
16
MOP tranzistoriai su įterptuoju kanalu
MOP tranzistoriai su įterptuoju
kanalu yra nuskurdintosios-
praturtintosios veikos
tranzistoriai (angl. DE-
MOSFET – depletion-
enhancement MOSFET).
2
0UI
UI0SS 1
−=U
UII
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
18
MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu
2UI0UIS )( UUKI −=
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
19
MOP tranzistorių statinės charakteristikos
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
20
LT parametrai ir ekvivalentinės grandinės
;)( 20UIUIS UUAI −≅ S0UUI
UI
SIm 2)(2
d
dIAUUA
U
Ig I =−==
),(
0
SIUIS
U
UUfI
I
=
=
SIo
UImS
1U
rUgI +=
SIo
UImSISI
SUI
UI
SS d
1dddd U
rUgU
U
IU
U
II +=
∂
∂+
∂
∂=
1/ r o
U UI
U SI
I S U S
I
g m U UI
constkai,UI
Sm === SIU
∆U
∆ISg
constkai,S
SIo == UIU
∆I
∆Ur
-1KQm V 40k/q/ ≅≅ TIg )/(2/ 0UIUISQm UUIg −=>>
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
21
-1KQm V 40k/q/ ≅≅ TIg )/(2/ 0UIUISQm UUIg −=>>
LT parametrai ir ekvivalentinės grandinės
mg ~kl
µ
V-MOP tranzistoriaus struktūraIzoliuotosios užtūros dvipolis
tranzistorius (IGBT)
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
22
The IGBT combines the simple gate-drive characteristics of the MOSFETs with the high-
current and low–saturation-voltage capability of bipolar transistors by combining an
isolated gate FET for the control input, and a bipolar power transistor as a switch, in a
single device.
The IGBT is a fairly recent invention. The first-generation devices of the 1980s and early
1990s were relatively slow in switching ...
Large IGBT modules typically consist of many devices in parallel and can have very high
current handling capabilities in the order of hundreds of amps with blocking voltages of
6,000 V. Toyota's second generation hybrid Prius has a 50 kW IGBT inverter controlling
two AC motor/generators connected to the DC battery pack.[
Izoliuotosios užtūros dvipolis tranzistorius
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
23
kUUI
mT
π2
1
)(π2 τ=
+=
SCC
gf
maxkk / vl=τ
k
maxT
π2 l
vf =
o
mTmax
2 g
gff =
LT dažninės savybės
Didėjant dažniui, LT statumas mažėja dėl krūvininkų lėkio tranzistoriaus
kanale reiškinio.
x
x
x
S
SK j
0
esin
)j( −==ω2
kωτ=x
Didėjant dažniui, mažėja LT įėjimo varža ir srovės perdavimo koeficientas.
UIUSUIU )(j UCCI += ω UImS UgI = :S UII =
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
24
)(π2 USUI
mT
1222SI
1211UI
12US
CC
gf
CCC
CCC
CC
+=
−=
−=
=
constS
SIo
constUI
Sm
SI
SI
=
=
=
=
U
U
∆I
∆Ur
∆U
∆Ig
Lauko tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės schema
80 nm,… 400 GHz
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
25
Lauko tranzistoriai
1. Lauko tranzistoriaus n kanale srovę kuria (elektronai, skylės, elektronai
ir skylės).
2. Sandūriniame lauko tranzistoriuje krūvininkai, judėdami iš ištakos į
santaką, (įveikia dvi pn sandūras, nesutinka nė vienos pn sandūros).
3. Sandūrinis lauko tranzistorius įjungtas pagal bendrosios ištakos
schemą. Jo maksimali santakos srovė – 20 mA, atkirtos įtampa – minus
10 V. Kokio stiprio tekėtų tranzistoriaus išėjimo srovė, kai įėjimo įtampa
lygi nuliui? Kokiai įtampai veikiant susidarytų tranzistoriaus soties veikos
sąlygos, jeigu įėjimo įtampa būtų minus 2 V?
4. Sandūrinio lauko tranzistoriaus atkirtos įtampa – minus 6 V ir maksimali
santakos srovė – 12 mA. Jeigu šių duomenų pakanka, sudarykite
tranzistoriaus perdavimo charakteristiką.
5. Neigiama įtampa (skurdina, turtina) MOP tranzistoriaus įterptąjį n
kanalą, teigiama įtampa kanalą (skurdina, turtina).
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
26
Lauko tranzistoriai
6. Sudarykite lauko tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinės grandinės
schemą ir palyginkite ją su dvipolio tranzistoriaus Π pavidalo
ekvivalentinės grandinės schema.
7. Sandūrinio lauko tranzistoriaus maksimali santakos srovė – 8 mA,
atkirtos įtampa – minus 4 V. Apskaičiuokite tranzistoriaus perdavimo
charakteristikos statumą, kai įėjimo įtampa – minus 1,5 V.
8. Sandūrinio lauko tranzistoriaus su n kanalu atkirtos įtampa – minus 3 V,
maksimali santakos srovė – 9 mA. Raskite tranzistoriaus perdavimo
charakteristikos statumą, kai santakos srovė – 4 mA. Sudarykite
tranzistoriaus ekvivalentinės grandinės schemą. Laikydami, kad įėjimo
talpa – 9 pF, išėjimo talpa – 6 pF, pereinamoji talpa – 2 pF,
apskaičiuokite tranzistoriaus didžiausiąjį srovės stiprinimo dažnį .
9. Kodėl MOP tranzistoriams pavojingi statiniai krūviai?
ELEKTRONIKOS ĮTAISAI 2009
VGTU EF ESK [email protected]
27
After years of research and experimentation involving literally
hundreds of scientist from around the world, the final breakthrough
in the development of the transistor was left to three men. Dr Walter
Brattain, Dr John Bardeen and Dr William Shockley all three
scientists working at Bell laboratories, are the men credited with this
significant achievement. In December 1947 they made the historic
discovery of the transistor effect and in so doing developed the very
first transistor device. In 1956 their achievement was acknowledged
when they were awarded the Nobel Prize for physics.