Tranzistoare cu efect de câmp
TEC-J / JFET
ITEC-MOS / MOSFET.
1. Generalități
FET vine de la Field Effect Transistor, adică tranzistor cu efect de câmp. În română îl întâlnești și ca TEC. Este un tranzistor unipolar, pentru că la conducție participă în principal purtătorii majoritari.
Ce face un FET
Controlează curentul dintre drenă D și sursă S prin tensiunea aplicată la poartă G. La MOSFET apare și B, adică body / substrat.
Ce înseamnă canal n și canal p
La canal n conducția se face în principal prin electroni. La canal p conducția se face în principal prin goluri.
Ce trebuie să ții minte
FET-ul este comandat în tensiune, are curent de intrare foarte mic și rezistență de intrare foarte mare.
2. TEC-J / JFET
TEC-J este tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune. Asta înseamnă că între poartă și canal există o joncțiune pn, iar funcționarea normală se face cu poarta polarizată invers.
2.1. Principiul de funcționare
Curentul util trece prin canalul dintre S și D. Poarta G nu lasă practic să treacă curent, ci modifică lățimea canalului prin câmpul electric creat de tensiunea poartă–sursă.
Pentru un TEC-J cu canal n, poarta este negativă față de sursă. Cu cât tensiunea UGS este mai negativă, cu atât regiunea sărăcită crește, canalul se îngustează și curentul ID scade.
Pentru un TEC-J cu canal p, polaritățile se inversează.
2.2. Pinii
G = poartă, electrodul de comandă.
D = drenă, terminalul prin care curentul iese din canal în sensul convențional.
S = sursă, terminalul prin care curentul intră în canal în sensul convențional.
B = bază / substrat, apare în reprezentarea structurii fizice, nu de regulă ca terminal separat în utilizarea școlară obișnuită.
2.3. Cum recunoști simbolul
La JFET, poarta este legată de zona de joncțiune care controlează canalul. Tocmai de aceea simbolul arată diferit față de MOSFET, unde poarta este izolată.
Pentru exerciții, trebuie să recunoști imediat cele două variante: canal n și canal p.
2.4. Ce este „strangularea canalului”
Strangularea canalului apare când tensiunea UDS crește suficient de mult încât regiunile sărăcite se lărgesc foarte tare spre drenă. Canalul se îngustează puternic, iar curentul nu mai crește semnificativ și intră în zona de saturație.
2.5. Mărimi electrice
- UDS – tensiunea drenă–sursă
- UGS – tensiunea poartă–sursă
- ID – curentul de drenă
- IG – curentul de poartă, foarte mic, practic aproximat cu 0
- IS – curentul de sursă, aproximativ egal cu ID
- Ri – rezistența de intrare, foarte mare
2.6. Mărimi caracteristice și grafice
Caracteristica de ieșire este iD = f(uDS) pentru uGS constant.
Caracteristica de transfer este iD = f(uGS).
Grafic, ideea principală este aceasta: poarta schimbă lățimea canalului, iar asta schimbă valoarea curentului de drenă.
2.7. Polarizarea TEC-J
La TEC-J, poarta trebuie polarizată invers față de sursă. De aceea, în cazul canalului n, se folosește de obicei UGS < 0.
În materialul din carte apar două variante uzuale: polarizare cu rezistență și polarizare cu divizor rezistiv.
2.8. Ideea pe care trebuie să o reții
JFET-ul are un canal existent deja, iar poarta doar îl îngustează sau îl lasă mai puțin îngust. De aceea JFET-ul este asociat natural cu ideea de strangulare a canalului.
3. TEC-MOS / MOSFET
TEC-MOS este tranzistorul cu efect de câmp cu poartă izolată. Între poartă și semiconductor se află un strat de oxid, de regulă SiO2. De aici vine și denumirea Metal – Oxid – Semiconductor.
3.1. Principiul de funcționare
Poarta nu este în contact direct cu semiconductorul, ci este separată prin oxid. Practic, poarta și substratul se comportă ca plăcile unui condensator.
Când aplici tensiune pe poartă, câmpul electric modifică distribuția purtătorilor la suprafața semiconductorului și astfel controlează curentul dintre drenă și sursă.
3.2. Pinii
G = poartă
D = drenă
S = sursă
B = body / substrat
În multe aplicații practice, body-ul este legat la sursă.
3.3. Ce trebuie observat în structură
- sus este zona metalică a porții;
- sub ea se află stratul de oxid;
- mai jos este semiconductorul;
- la suprafață se formează sau se modifică zona conductoare dintre sursă și drenă.
Tocmai fiindcă poarta este izolată, curentul de poartă este extrem de mic.
3.4. De ce arată diferit simbolurile pentru canal indus și canal inițial
Canal inițial înseamnă că între sursă și drenă există deja canal conductor din fabricație. De aceea, în simbol canalul este reprezentat deja existent.
Canal indus înseamnă că acel canal apare numai după aplicarea unei tensiuni suficiente pe poartă. De aceea, în simbol canalul nu este desenat ca fiind deja format, ci apare întrerupt.
3.5. Cum le reții ușor
La canal inițial, componenta poate conduce și fără comanda de pe poartă, pentru că există deja traseu conductor.
La canal indus, curentul de drenă apare numai după depășirea tensiunii de prag UT.
3.6. Mărimi electrice
- UDS – tensiunea drenă–sursă
- UGS – tensiunea poartă–sursă
- ID – curentul de drenă
- IG – curentul de poartă, foarte mic
- IS – curentul de sursă
- Ri – rezistența de intrare foarte mare
- UT – tensiunea de prag, esențială mai ales la canal indus
3.7. Mărimi caracteristice și grafice
Caracteristica de ieșire: iD = f(uDS), pentru uGS constant.
Caracteristica de transfer: iD = f(uGS).
La canal indus, graficul de transfer arată foarte clar că sub UT curentul este practic nul, iar peste această valoare începe conducția.
3.8. Polarizarea TEC-MOS
Pentru MOSFET-ul cu canal indus, poarta trebuie adusă la tensiunea potrivită pentru a crea canalul. De aceea apare ideea de tensiune de prag.
Pentru canalul n indus, în mod obișnuit ai nevoie de UGS pozitivă. Pentru canalul p indus, polaritățile se inversează.
3.9. Ideea pe care trebuie să o reții
MOSFET-ul nu mai controlează un canal prin joncțiune pn, ci prin câmpul electric creat prin poarta izolată. De aici rezultă rezistența de intrare foarte mare și utilizarea lui largă în circuite integrate.
4. Tabele comparative
Mai jos ai două comparații pe care merită să le știi foarte bine: TEC-J versus TEC-MOS și tranzistorul cu efect de câmp versus tranzistorul bipolar.
| Aspect | TEC-J / JFET | TEC-MOS / MOSFET |
|---|---|---|
| Poarta | formează o joncțiune pn cu canalul | este izolată față de semiconductor prin oxid |
| Locul canalului | în volumul semiconductorului | la suprafața semiconductorului |
| Comandă | în tensiune | în tensiune |
| Curent de intrare | foarte mic | foarte mic, de regulă și mai mic decât la JFET |
| Rezistență de intrare | foarte mare | foarte mare |
| Tipuri studiate la școală | canal n și canal p | canal n / p, cu canal inițial sau cu canal indus |
| Ideea de bază | poarta îngustează sau lărgește efectiv canalul existent | poarta izolată creează sau modifică stratul conductor la suprafață |
| Observație practică | mai simplu de explicat prin strangularea canalului | foarte folosit în circuite integrate, dar mai sensibil la descărcări electrostatice |
| Aspect | Tranzistor cu efect de câmp | Tranzistor bipolar |
|---|---|---|
| Tip de purtători | participă în principal purtătorii majoritari | participă purtători majoritari și minoritari |
| Comandă | comandat în tensiune | comandat în curent |
| Curent de intrare | foarte mic | de obicei curentul de bază |
| Rezistență de intrare | mare | mai mică și dependentă de conexiune |
| Amplificare | nu amplifică în curent; este folosit mai ales ca element comandat în tensiune | poate amplifica și în curent, și în tensiune |
| Tensiune de decalaj | nu există în sensul clasic menționat la TBJ | există tensiune de decalaj |
| Zgomot | mai redus | de regulă mai mare |
| Integrare | foarte potrivit pentru circuite integrate | folosit și el larg, dar FET-ul este foarte avantajos în integrare și consum redus |