Electronics | Higher education » Térvezérlésű tranzisztorok

DE, Kísérleti Fizika Tanszék F1301 Bevezetés az elektronikába Térvezérlésű tranzisztorok F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOROK (FET-ek) Térvezérlésű (unipoláris) tranzisztor (Field Effect Transistor [FET]) A bipoláris tranzisztorokkal szemben itt nem a bemeneti (bázis-) áram vezérli a tranzisztort, hanem a bemeneti (kapu-) feszültség által keltett elektromos tér. Ezáltal a FET kimeneti (nyelő-) árama igen kis bemeneti teljesítménnyel ( ~teljesítmény nélkül) vezérelhető. Kis fogyasztású áramköröknél előnyösen alkalmazhatók. Két fő típus: - Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (Junction Field Effect Transistor [JFET]) - Szigetelt kapuelektródás térvezérlésű tranzisztor (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor [MOSFET]) F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET) Felépítés:Szennyezett

félvezető kristályszakasz, két szemközti oldalán a szakasszal ellentétesen szennyezett, közös (G) kivezetéssel rendelkező tartománnyal. A kristályszakasz és a két szélső tartomány között két PN átmeneti réteg(záróréteg) alakul ki. Ezen a zárórétegen nem tud elektron keresztülhatolni, mivel az átmeneti rétegben levő elektromos tér kilöki onnan őket. „ n p Működés: Az elektronok számára áramlási útként csak a középső csatorna áll rendelkezésre. A csatornán átfolyó áram nagyságát a csatorna két végére rákapcsolt feszültség és a csatorna pályaellenállása határozza meg. A kapu (G) és a forrás (S) közé kapcsolt záróirányú UGS feszültség nagyságának növelésével a zárórétegek kiszélesednek, így a csatorna keresztmetszete csökken ⇒ így állandó UDS mellett csökken a csatornán átfolyó ID áram. Előny: az UGS feszültség szinte teljesítményfelvétel nélkül vezéreli az ID áramot. F1301

Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék 3 szennyezett tartomány, 3 kivezetés: Forrás (S-Source), Kapu (G-Gate), Nyelő (D-Drain) D JFET rajzjelek: G S p-csatornás „ G D G S S n-csatornás n-csatornás JFET jelleggörbéi: ⎛ U ⎞ I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎟⎟ ⎝ UP ⎠ D UDG IG ID UDS 2 UGS IS meredekség S= ΔI D ΔU GS rDS = ΔU DS ΔI D F1301 Bev. az elektronikába „ DE, Kísérleti Fizika Tanszék JFET műszaki adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján) Bemeneti ellenállás: rGS Differenciális kimeneti ellenállás: rDS Meredekség: S Kapu-forrás lezárási feszültség: UP IDSS Forrás-nyelő telítési áram: UDSmax Kapu-forrás max. feszültség: UGSmax Maximális nyelőáram: IDmax Maximális kapu záróáram: IGmax Maximális veszteségi teljesítmény: Ptot Maximális hőmérséklet: Tj Nyelő-forrás max. feszültség: rGS ≈ áll.(≈ 1010 − 1014 Ω) ΔU DS ≈ 80 − 200Ω ΔI

D ΔI D mA ≈ 3 − 10 S= ΔU GS V 2 ⎛ U ⎞ I D = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎟⎟ ⎝ UP ⎠ rDS = (≈30V) (≈-30V) (≈25mA) (≈5nA) (≈300mW) (≈135°C) F1301 Bev. az elektronikába „ DE, Kísérleti Fizika Tanszék JFET alapkapcsolásai: +Ut +Ut S D USG>0 G G UC B UGS<0 D S -Ut G UDS S D UGD<0 USD Kapukapcsolás Forráskapcsolás Nyelőkapcsolás (forráskövető) erősítőként nem használják a túl nagy D-G ellenállás miatt jó fesz. és áramerősítés nincs feszültségerősítés (erősítők) (impedancia illesztőfokozat) Leggyakrabban ezt alkalmazzák! Ut-USD Ut-UGD G S D +Ut a kisebb bemeneti kapacitás miatt előnyösebb, mint az emitterkövető F1301 Bev. az elektronikába „ DE, Kísérleti Fizika Tanszék JFET alkalmazásai +12V Erősítőfokozat RT=1kΩ C1=22nF Ube T UGS C2=22nF UDS -2V ID 10 mA 12 mA 12 V t UDS Ube Uki -2 V 6V -2 V UGS Uki Ube0 5 mA t 6V Uki0 RG=1MΩ ID UDS U t

UDS = Ut - IDRT UGS t F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék Kapcsolófokozat JFET-tel Ube Ha U vez ≤ U be − U P , akkor a tranzisztor lezár és így Uki = 0 V . Uki R Uvez A JFET nyitásához UGS = 0 V (vagyis Uvez= Ube) kell, ami nem egyszerű, ha az Ube időben változik. Nyitott tranzisztornál Uki ≈ Ube Javított kapcsolófokozat Ube Uvez R1 D R Uki Ha U vez ≤ U be − U P , akkor a D dióda nyitva van és tranzisztor lezár, így Uki = 0 V . Ha Uvez > Ube , akkor a D dióda zár és UGS=0 V lesz, így a FET kinyit, így Uki ≈ Ube . F1301 Bev. az elektronikába „ DE, Kísérleti Fizika Tanszék MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) Felépítés: Szennyezett félvezető kristály (szubsztrát) két, a szakasszal ellentétesen szennyezett szigettel (forrás és nyelő). A két sziget közötti kristályrész felett, a kristálytól elszigetelve található a kapuelektróda. n-csatornás

növekményes (önzáró) típus Működés: n-típusú vezető híd Növekményes n-csatornás típus: A forráshoz és a szubsztráthoz képest pozitív UGS kapu-feszültség hatására a forrás(S) és a nyelő(D) között n-típusú vezető híd jön létre, ennek vastagsága (és vezetőképessége) a feszültség növelésével növekszik. ⇒ így állandó UDS mellett pozitív UGS kapu-feszültséggel teljesítmény felvétel nélkül változtatható híd vezetőképessége (és így a hídon átfolyó ID áram). F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék n-csatornás, növekményes MOSFET jelleggörbéi: ID - UGS vezérlő jelleggörbe, S= ΔI D ΔU GS meredekség ID - UDS kimeneti jelleggörbe F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék Kiürítéses n-csatornás típus: A forráshoz és a szubsztráthoz képest pozitív UGS kapu-feszültség hatására a forrás(S) és a nyelő(D) közötti n-típusú vezető híd

kiszélesedik, míg negatív UGS kapu-feszültség hatására elvékonyodik. n-csatornás kiürítéses (önvezető) típus ⇒ így állandó UDS mellett mind pozitív, mind negatív UGS kapu-feszültséggel teljesítmény felvétel nélkül változtatható híd vezetőképessége (és így a hídon átfolyó ID áram). MOSFET rajzjelek: D G D G S D G S D G S S n-csatornás p-csatornás n-csatornás p-csatornás kiürítéses kiürítéses növekményes növekményes F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék n-csatornás, kiürítéses MOSFET jelleggörbéi: ID - UGS vezérlő jelleggörbe, S= ΔI D ΔU GS meredekség ID - UDS kimeneti jelleggörbe F1301 Bev. az elektronikába „ DE, Kísérleti Fizika Tanszék MOSFETek jellemző adatai (megtalálhatók az adott típus gyári adatlapján) rGS rGS ≈ áll.(≈ 1014 − 1015 Ω) Differenciális kimeneti ellenállás: rDS rDS = Meredekség: S UP IDSS CGS UDSmax UGSmax IDmax CGS

≈ 2 − 5 pF (≈40V) (≈±10V) (≈50mA) Bemeneti ellenállás: Kapu-forrás lezárási feszültség: Forrás-nyelő telítési áram: Kapu-forrás kapacitás: Nyelő-forrás max. feszültség: Kapu-forrás max. feszültség: Maximális nyelőáram: ΔU DS ≈ 10 − 50kΩ ΔI D ΔI D mA ≈ 5 − 12 S= ΔU GS V A statikus töltések igen veszélyesek a MOSFET kapu-szubsztrát közötti rétegére, ugyanis a nagy bemeneti ellenállás és kis kapacitás miatt könnyen felléphet az átütési szintnél magasabb feszültség. Emiatt a MOSFET áramköröket rövidrezárt kivezetésekkel szállítják és néhány típusnak a bemeneteit beépített Z-diódás túlfeszültség-védelemmel látják el. F1301 Bev. az elektronikába DE, Kísérleti Fizika Tanszék MOSFET alkalmazásai Forráskapcsolású erősítőfokozat „ +18V ID ID UDS 18 V 9 mA R1 RL C1 T Ube RG C2 t 9 mA UGS Uki UDS 9V 3V t UGS UDS = Ut - IDRT t Nyelőkapcsolású illesztőfokozat

+18V C1 R1 Ube RG T Kapcsolófokozat MOSFET-tel UDS Ube C2 UGS RL Uki Uvez R Uki F1301 Bev. az elektronikába FET típusok összefoglalása: DE, Kísérleti Fizika Tanszék