Τρανζίστορ (FET)

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ (FET)

Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (αγγλικά: Field Effect Transistor) ή FET από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων είναι μια ηλεκτρονική διάταξη με τρεις ακροδέκτες η οποία περιλαμβάνει μια επαφή p-n. Η λειτουργία του βασίζεται στον έλεγχο ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου με την εφαρμογή εξωτερικού δυναμικού στον έναν από τους τρεις ακροδέκτες που ονομάζεται πύλη (gate). Το πεδίο αυτό ελέγχει την αγωγιμότητα μεταξύ των άλλων δυο ακροδεκτών, που ονομάζονται απαγωγός ή εκροή ή υποδοχή (drain) και πηγή (source). Το ρεύμα που διέρχεται από αυτούς τους δύο ακροδέκτες ελέγχεται από το πεδίο αυτό και έτσι, ενώ στα διπολικά τρανζίστορ ο έλεγχος του ρεύματος στην έξοδο γίνεται με το ρεύμα βάσης, στα FETs ο έλεγχος γίνεται με το δυναμικό της πύλης. Επίσης, η αγωγιμότητα γίνεται με ένα τύπο φορέων (οπές ή ηλεκτρόνια) ανάλογα με την πολικότητά τους, οπότε τα τρανζίστορ αυτά χαρακτηρίζονται σαν μονοπολικά (unipolar). Υπάρχουν δυο τύποι FET που ονομάζονται FET επαφής, JFET (Junction FET) και FET μονωμένης πύλης ή Μετάλλου-Οξειδίου-Ημιαγωγού, (MOSFET, Metal-Oxide- Semiconductor FET). Κάθε τύπος μπορεί να κατασκευαστεί με κανάλι αγωγιμότητας ημιαγωγού τύπου n ή τύπου p, οπότε χαρακτηρίζεται αντίστοιχα σαν n-καναλιού (n-channel) ή p-καναλιού (p-channel). Επιπλέον, υπάρχουν δύο κατηγορίες των παραπάνω, τα FET αραίωσης (depletion mode) και τα FET πύκνωσης (enhancement mode). Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του FET είναι ότι συχνά είναι απλούστερο να κατασκευαστεί και ότι καταλαμβάνει μικρότερο χώρο πάνω σε ένα chip απ’ ότι ένα BJT. Έτσι η πυκνότητα εξαρτημάτων πάνω σε ένα μόνο chip μπορεί να είναι εξαιρετικά μεγάλη και συχνά ξεπερνά τα 100.000 MOSFET ανά τσιπ. Μια δεύτερη πολύ σημαντική ιδιότητα είναι ότι οι διατάξεις MOS μπορούν να συνδεθούν σαν αντιστάσεις και σαν πυκνωτές ανάλογα με την χρήσης που θέλουμε. Αυτό επιτρέπει την σχεδίαση συστημάτων που αποτελούνται αποκλειστικά από MOSFET και όχι από άλλα εξαρτήματα. Η εκμετάλλευση των ιδιοτήτων αυτών κάνει το MOSFET την κυρίαρχη συσκευή σε συστήματα πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI: Very Large Scale Integration). Αντίθετα με το BJT, το FET είναι μια συσκευή φορέων πλειονότητας. Η λειτουργία του εξαρτάται από την χρήση ενός ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται για να ελέγχει ένα ρεύμα. Έτσι το FET είναι μια πηγή ρεύματος που ελέγχεται από τάση, που όπως είναι γνωστό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν διακόπτης και σαν ενισχυτής.

[Επεξεργασία] ΤΟ FET ΕΠΑΦΗΣ (JFET)

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η βασική δομή ενός JFET καναλιού τύπου n. Οι ακροδέκτες απαγωγού και πηγής κατασκευάζονται από τις ωμικές επαφές στα άκρα ενός κομματιού ημιαγωγού τύπου n. Ηλεκτρόνια, που είναι φορείς πλειονότητας, αναγκάζονται να κινηθούν κατά μήκος του κομματιού με μια τάση που εφαρμόζεται μεταξύ απαγωγού και πηγής. Ο τρίτος ακροδέκτης, που ονομάζεται πύλη, σχηματίζεται συνδέοντας ηλεκτρικά τις δυο ρηχές περιοχές τύπου p+. Η περιοχή τύπου n μεταξύ των δυο πυλών p+ ονομάζεται κανάλι μέσα από το οποίο οι φορείς πλειονότητας μετακινούνται μεταξύ της πηγής και του απαγωγού.


Εικόνα:fet1.jpg

[Επεξεργασία] Λειτουργία του JFET

Ας δούμε την σχηματική παράσταση μιας συσκευής καναλιού τύπου-n του παραπάνω Σχήματος που παριστάνει την συνδεσμολογία κοινής πηγής. Αν και η εξέτασή μας επικεντρώνεται σε συσκευή τύπου-n, ισχύει εξίσου και στο JFET καναλιού-p αν αναγνωρίσουμε ότι οι πολικότητες τάσης και οι κατευθύνσεις ρευμάτων στις συσκευές τύπου p είναι αντίθετες από τις αντίστοιχες πολικότητες και κατευθύνσεις των JFET καναλιού τύπου n. Παρατηρούμε ότι οι περιοχές πύλης και το κανάλι αποτελούν μια επαφή pn που, στην λειτουργία του JFET, διατηρούνται σε κατάσταση ανάστροφης πόλωσης. Αν εφαρμοστεί μια αρνητική τάση πύλης – πηγής η επαφή πολώνεται κατά την ανάστροφη φορά. Το ίδιο συμβαίνει αν εφαρμοστεί μια θετική τάση απαγωγού – πηγής. Στις δυο πλευρές της επαφής pn με ανάστροφη πόλωση υπάρχουν περιοχές φορτίων χώρου. Οι φορείς ρεύματος έχουν διαχυθεί κατά μήκος της επαφής, αφήνοντας μόνο ακάλυπτα θετικά ιόντα στην πλευρά n και αρνητικά ιόντα στην πλευρά p. Καθώς αυξάνει η ανάστροφη πόλωση κατά μήκος της επαφής, αυξάνει και το πάχος της περιοχής των ακίνητων ακάλυπτων φορτίων. Έτσι το αποτέλεσμα είναι ένα στρώμα φορτίων χώρου που βρίσκεται σχεδόν εξ ολοκλήρου στο κανάλι n. Η αγωγιμότητα της περιοχής αυτής είναι μηδέν επειδή δεν υπάρχουν διαθέσιμοι φορείς ρεύματος. Έτσι, βλέπουμε ότι όταν η ανάστροφη τάση αυξάνει το ενεργό πλάτος του καναλιού στο παρακάτω σχήμα ελαττώνεται. Σε τάση πύλης – πηγής VGS = Vp, που ονομάζεται τάση «διάτρησης», το πλάτος του καναλιού γίνεται μηδέν επειδή όλο το ελεύθερο φορτίο έχει απομακρυνθεί από το κανάλι. Έτσι, για σταθερή τάση απαγωγού – πηγής, το ρεύμα απαγωγού θα είναι συνάρτηση της τάσης ανάστροφης πόλωσης κατά μήκος της επαφής πύλης. Επειδή ο μηχανισμός ελέγχου του ρεύματος είναι αποτέλεσμα της ύπαρξης του πεδίου που σχετίζεται με την περιοχή εκκένωσης, στην ονομασία της διάταξης χρησιμοποιείται ο όρος «φαινόμενο πεδίου».Εικόνα:fet2.jpg


ΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΟΥ JFET Οι χαρακτηριστικές εξόδου ενός συνηθισμένου διακριτού JFET καναλιού τύπου n, που φαίνονται στο Σχήμα 5-5, δίνουν το ID σαν συνάρτηση της VDS με παράμετρο την VGS.


Για να δούμε ποιοτικά τον λόγο για τον οποίο οι χαρακτηριστικές έχουν αυτήν την μορφή, έστω πρώτα η περίπτωση όπου VGS = 0. Για ID = 0 το κανάλι μεταξύ των επαφών πύλης είναι εντελώς ανοικτό. Αν εφαρμοστεί μια μικρή τάση VDS, το κομμάτι τύπου n αντιδρά σαν μια απλή αντίσταση από ημιαγωγό και το ρεύμα ID αυξάνεται γραμμικά με την VDS. Όταν αυξάνει το ρεύμα, η ωμική πτώση τάσης κατά μήκος της περιοχής του καναλιού τύπου n πολώνει την επαφή πύλης κατά την ανάστροφη φορά και το τμήμα του καναλιού που άγει αρχίζει να κλείνει με μορφή λαβίδας λόγω της κατανομής της πτώσης τάσης κατά μήκος του καναλιού (σύσφιγξη του καναλιού). Εξαιτίας της ωμικής πτώσης τάσης κατά μήκος του καναλιού, η σύσφιγξη δεν είναι ομοιόμορφη, αλλά είναι εντονότερη σε αποστάσεις που απέχουν περισσότερο από την πηγή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5-4. Στο τέλος, φτάνουμε σε μια τάση VD στην οποία παρουσιάζεται η διάτρηση του καναλιού. Αυτή είναι η τάση όπου η καμπύλη του ρεύματος ID αρχίζει να γίνεται οριζόντια και να πλησιάζει σε μια σταθερή τιμή. Βέβαια, θεωρητικά δεν είναι δυνατό να κλείσει τελείως το κανάλι και το ρεύμα ID να γίνει μηδέν. Στην πραγματικότητα αν συνέβαινε αυτό, δεν θα ήταν απαραίτητη η ωμική πτώση τάσης που χρειάζεται για την ανάστροφη πόλωση. Παρατηρούμε στις χαρακτηριστικές ότι: α) Κάθε χαρακτηριστική έχει μια ωμική περιοχή ή περιοχή μη κορεσμού για μικρές τιμές της VD, όπου το ID είναι ανάλογο με την VDS β) Κάθε καμπύλη έχει ακόμη και μια περιοχή σταθερού ρεύματος ή περιοχή κορεσμού ρεύματος για μεγάλες τιμές της VDS, όπου το ID αντιδρά πολύ λίγο στην VDS. Σχήμα 5-4 Δομή πολωμένου JFET καναλιού τύπου nόπου φαίνεται η περιοχή εκκένωσης που συσφίγγει το κανάλι. Αν τώρα η τάση VGS γίνει μηδέν, τότε η τάση που χρειάζεται η επαφή για να πολωθεί ανάστροφα παρέχεται από την VDS. Αν εφαρμοστεί αρνητική VGS, η περιοχή εκκένωσης που δημιουργείται ελαττώνει το πλάτος του καναλιού ακόμη και με VDS = 0. Έτσι, η διάτρηση εμφανίζεται σε μικρότερη τιμή της VDS και η μέγιστη τιμή της ID ελαττώνεται, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5-5. Σε VGS = Vp, την τάση διάτρησης, είναι ID = 0 γιατί το κανάλι έχει συσφιχθεί εντελώς για όλες τις τιμές της VDS ≥ 0.

Εικόνα:fet3.jpg