A modern elektronika alapját képező félvezető eszközök közül a térvezérlésű tranzisztorok (FET - Field-Effect Transistor) kiemelt jelentőséggel bírnak. Azokat a tranzisztorokat, amelyeknek áramát csak egyetlen fajta töltéshordozó biztosítja, a szakirodalomban unipoláris vagy térvezérlésű tranzisztoroknak nevezik. Ezek közös jellemzője, hogy az elektromos teret egy kapunak nevezett vezérlőelektróda segítségével hozzák létre a csatorna keresztmetszetében. A kapuelektróda felépítésének függvényében megkülönböztetünk záróréteges (JFET) és szigetelt kapuelektródás (MOSFET) térvezérlésű tranzisztorokat.
A záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET) működése
A JFET (Junction Field-Effect Transistor) tranzisztorok csatornáját a félvezető térfogatában két záróirányban polarizált PN-átmenet határolja. A JFET tranzisztor szerkezetét egy nagyon vékony, gyengén szennyezett réteg (csatorna) alkotja, amely két erősen szennyezett, a csatornával ellentétes szennyezettségű félvezető réteg között helyezkedik el. A csatorna két végére fémezéssel kapcsolt elektródák a D drain (nyelő) és az S source (forrás), míg a vezérlőszerepet játszó elektróda a G gate (kapu).
Ha a csatorna két elektródájára feszültséget kapcsolunk (UDS), és a gate elektróda feszültsége (UGS) nulla, a két PN-átmenet záróirányú polarizálást kap. Az N-típusú csatornában a D drain elektródától az S source elektróda felé áramló elektronok árama UGS=0 feszültségnél a legnagyobb, mivel ebben az esetben a csatorna szélessége maximális. Ezen tulajdonsága miatt a záróréteges térvezérlésű tranzisztorokat önvezetőknek is nevezzük.
A zárórétegek szélessége, amelyek meghatározzák a csatorna keresztmetszetét, annál nagyobb, minél nagyobb a záróirányban ható feszültség. Minél nagyobb a zárófeszültség, annál kisebb a vezetőréteg keresztmetszete, tehát az ellenállása is növekszik. A csatorna-ellenállás növekedése a csatornán folyó ID áram csökkenését eredményezi, amely sajátságos esetben nulla is lehet.
A szükséges vezérlőteljesítmény minimális értékű, mivel a kisebbségi töltéshordozók mozgásának eredményeképpen egy elhanyagolható nagyságú záróirányú áram folyik (kb. 10⁻⁸ ÷ 10⁻¹⁰ A). Az UGS feszültségnek a vezérelhetőség biztosítása miatt N csatornás JFET esetén negatívnak, míg P csatornás eszköz esetén pozitívnak kell lennie a source elektródához viszonyítva.
What is a JFET and how does it work?
A JFET karakterisztikái és paraméterei
Mivel a JFET bemeneti vezérlőárama gyakorlatilag nullának tekinthető, nem határozható meg hagyományos bemeneti jelleggörbe. A kimeneti karakterisztika a drain áramot (ID) mutatja a drain-source feszültség (VDS) függvényében, különböző állandó VGS értékek mellett.
- Ohmikus régió: A VDS feszültség alacsonyabb, mint a lefogási feszültség, a JFET ellenállásként viselkedik.
- Telítési (aktív) régió: Amikor a VDS feszültség meghaladja a lefogási feszültséget, a drain áram függetlenné válik a VDS-től, és a VGS szabályozza.
- Lezárt (cut-off) régió: Amikor a VGS negatívabb, mint a lefogási feszültség, a tranzisztor lezár.
Az IDSS a szaturációs áram, lényegében a legnagyobb megengedett áram, ami VGS = 0V esetén folyik. A lefogási feszültséget (Vp vagy VGS(off)) akkor éri el az eszköz, amikor a zárórétegek teljesen elzárják a csatornát. A transzkonduktancia (gm) a drain áram változásának és a gate feszültség változásának hányadosa, állandó drain feszültség mellett, ami az erősítés mértékét jellemzi.
Szigetelt kapuelektródás térvezérlésű tranzisztorok (MOSFET)
A MOS típusú térvezérlésű tranzisztorok elnevezése felépítésükkel függ össze (Fém-oxid-félvezető). A tranzisztor aktív része egy P-típusú, gyengén szennyezett szilícium alapkristályból áll (szubsztrát). Az alapkristályban két erősen szennyezett N-típusú vezető szigetet alakítanak ki, amelyek az S source- és D drain-elektródákat alkotják. A szigetelőrétegre vékony fémréteget visznek fel; ez lesz a gate-vezérlőelektróda, amely ily módon elszigetelődik a kristálytól.
Növekményes (önzáró) MOSFET
Ha a gate-elektróda szabadon van, bármilyen polaritású feszültséget kapcsolunk a drain és a source közé, a tranzisztor zárva marad. Amikor pozitív gate-feszültséget kapcsolunk a szigetelőréteghez, az elektronok a szigetelőréteghez vándorolnak és az S és D elektróda között egy N-típusú vezetőcsatornát alkotnak. A draináram ilyen feltételek mellett megindul. Ezt nevezzük növekményes vagy önzáró tranzisztornak, mivel nulla gate-feszültségnél le van zárva.
Kiürítéses (önvezető) MOSFET
A kiürítéses MOSFET esetében a szigetelőréteg alatti szubsztrátban gyenge N-típusú szennyezést valósítanak meg. Ekkor vezetőképes összeköttetés lép fel az S és D között anélkül, hogy a gate-elektródára feszültséget kapcsolnánk. A negatív gate-feszültség a csatorna elektronokban való elszegényesedéséhez és vezetőképességének csökkenéséhez vezet, míg a pozitív feszültség a vezetőképesség növelését eredményezi.
Összehasonlítás és alkalmazási területek
A térvezérlésű tranzisztorok előnyös tulajdonságai a bipoláris tranzisztorokhoz viszonyítva a nagy értékű bemeneti ellenállás, az egyszerű gyártástechnológia és a kisebb helyigény az integrált áramkörökben.
A JFET-ek magas bemeneti impedanciájuk és alacsony zajszintjük révén ideálisak érzékeny szenzorokhoz és audio alkalmazásokhoz. Ezzel szemben a MOSFET-ek a modern mikroelektronika domináns eszközei, mivel kapcsolóként és digitális logikai elemként is kiválóan funkcionálnak. A növekményes MOSFET-ek különösen alkalmasak nagy áramok kapcsolására, ahol akár 10 mΩ-os bekapcsolási ellenállás is elérhető, így több Ampernyi áram is vezérelhető logikai jellel.
A különböző konfigurációk (közös source, közös drain, közös gate) eltérő tulajdonságokat kölcsönöznek az áramköröknek. A "source follower" (közös drain) kapcsolás például kiváló pufferként szolgál magas impedanciájú források illesztésére. A tervezés során mindig figyelembe kell venni az alkatrészparaméterek, mint az IDSS és a küszöbfeszültség (Vth) gyártási szórását és hőmérsékletfüggését, hogy az üzemi pont stabil maradjon.
tags: #novekmenyes #fet #csatornaellenallas