5. tranzistoare unipolare cu efect de câmp 5.1 tranzistorul cu efect

Capitolul 5 Tranzistoare unipolare cu efect de câmp

155

5. Tranzistoare unipolare cu efect de câmp

5.1 Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă joncţiune (TECJ)

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt dispozitive semiconductoare

unipolare, în procesele de conducţie participând un singur tip de purtători de

sarcină: fie electroni, fie goluri. Curentul electric prin aceste dispozitive este

comandat de un câmp electric aplicat canalului semiconductor prin care

trece curentul. Denumirea prescurtată este TEC (tranzistor cu efect de

câmp), sau FET (engl. Field Effect Tranzistor).

Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă joncţiune, TECJ sau JFET

(engl. Junction Field Effect Tranzistor), are structura prezentată în fig. 5.1.

Fig. 5.1 Schema simplificată a unui tranzistor TECJ cu canal n

Este construit dintr-un cristal semiconductor în care se realizează

prin dopare un canal conductor prevăzut la capete cu contacte ohmice pentru

conectarea în circuitul extern a sursei de alimentare şi un electrod de

comandă al curentului prin canal. Contactele de la capete se numesc: sursă,

S, electrodul prin care purtătorii pătrund în canal şi drenă, D, electrodul prin

care purtătorii sunt evacuaţi din canal. Canalul poate fi de tip n sau p, după

cum s-a realizat doparea semiconductorului astfel încât purtătorii de sarcină

mobili pot fi electronii şi respectiv golurile, existând astfel tranzistoare

TECJ cu canalul n şi TECJ cu canal p. Schimbarea conductanţei canalului se

realizează prin câmpul electric creat de tensiunea aplicată pe al treilea

electrod numit poartă sau grilă , G.

În fig. 5.2 se prezintă structura fizică pentru un TECJ realizat în

tehnologie planară.

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

156

Fig. 5.2 Structura fizică a unui tranzistor TECJ cu canal n în tehnologie

planară

Pe cristalul semiconductor care constituie substratul sau baza şi care

este dopat astfel încât să fie p+, se realizează succesiv prin dopare o regiune

tip n, care constituie canalul şi din nou o regiune p+ care constituie grila G1.

La capetele canalalului se depun contactele ohmice care devin sursa S şi

drena D. Substratul p+ (baza) are un terminal de control G2 similar cu grila

G1. Între porţi şi canal se formează joncţiuni p+n puternic asimetrice. În cele

mai multe cazuri, G1 şi G2 sunt legate împreună în interiorul tranzistorului

astfel încât acesta are un singur terminal de control al curentului G.

Pentru analiza funcţionării se foloseşte modelul din fig. 5.3 în care

drena şi sursa sunt aşezate la capetele cristalului, acesta prezentând o

simetrie axială.

Fig. 5.3 Model de funcţionare pentru TECJ cu canal n


157

Aplicând pe drenă o tensiune pozitivă în raport cu sursa, electronii se

vor deplasa prin canal de la sursă la drenă dând naştere curentului de drenă

ID. Lărgimea canalului şi deci conductanţa acestuia este comandată de

lărgimea regiunii de trecere a joncţiunii p+n polarizate invers care se întinde

mai mult în regiunea n. Astfel TECJ se comportă ca un rezistor comandat în

tensiune.

Fig. 5.4 Funcţionarea TECJ în diferite regimuri de curent

În modelul din fig. 5.4 TECJ este conectat în montaj sursă comună

(SC).

În lipsa tensiunilor externe (VG= 0 şi VD= 0), regiunea de trecere are

aceeaşi lărgime în lungul canalului, întinzându-se mai mult în partea n, şi

reducând într-o mică măsură lărgimea canalului (fig. 5.4a).

Aplicând o tensiune negativă pe grila G şi neavând aplicată tensiune pe

drenă (VD= 0) regiunea de trecere se măreşte, rămânând constantă în lungul

canalului şi îngustându-l

Dacă VG = 0, iar pe drenă se aplică o tensiune pozitivă, prin canal se

stabileşte un curent de drenă ID care provoacă o cădere de tensiune în lungul

canalului, tensiunea de polarizare inversă variază cu distanţa fiind maximă

în vecinătatea drenei unde şi lărgimea regiunii de trecere este maximă (fig.

5.4b). Dacă se măreşte tensiunea de drenă se poate produce închiderea

canalului lângă drenă, fapt care provoacă saturaţia curentului. Tensiunea de

drenă corespunzătoare saturaţiei se notează VDSat. În acest caz tensiunea


158

dintre drenă şi poartă (VG= 0, grila se consideră legată la sursă), se numeşte

tensiune de penetraţie totală sau de prag Vp.

Aplicând pe grilă tensiuni negative de ordinul volţilor, iar pe drenă

valori pozitive crescătoare, la o anumită valoare a tensiunii de drenă VDSat,

regiunile de trecere se unesc în apropierea drenei închizând canalul (fig.

5.4c). Dacă se creşte în continuare VD, penetraţia totală se obţine pe o

regiune mai mare, punctul P0 deplasându-se către sursă (fig.5.4d). Curentul

de drenă devine constant şi egal cu IDS. Pentru a explica faptul că ID rămâne

constant la VD>VDSat , când normal ar trebui să devină zero, în lucrarea [10]

se consideră că unirea regiunilor de sarcină spaţială nu este totală şi că lasă

un canal extrem de îngust în care rezistenţa ohmică şi intensitatea câmpului

au valori foarte ridicate, conducând la o valoare constantă a curentului.

La tensiuni de drenă care depăşesc VDMAX se produce străpungerea

electrică a canalului şi curentul creşte brusc.

În fig. 5.5 sunt prezentate caracteristicile de ieşire ale unui TECJ:

ctVDD GVfI (5.1)

Curba punctată din fig. 5.5 separă regiunea nesaturată I de regiunea

saturată II; valoarea tensiunii de saturaţie VDS depinde de tensiunea grilei,

VG. La creşterea tensiunii VG, regimul de saturaţie intervine la tensiuni de

drenă tot mai mici. Condiţia de saturaţie se obţine la:

PGDSat VVV (5.2)

Pentru o tensiune de drenă dată, creşterea tensiunii de grilă conduce

la scăderea curentului, iar la VG=VPT curentul de drenă devine zero, canalul

devenind blocat pe întreaga lungime.

Fig. 5.5 Caracteristici statice de ieşire la un TECJ


159

5.2 Curentul în tranzistorul TECJ cu canal dopat uniform

Pentru a face un studiu analitic al TECJ se presupun satisfăcute

următoarele ipoteze simplificatoare:

a. grilele G1 şi G2 sunt conectate împreună şi fiind identice crează o

structură simetrică în raport cu centrul canalului;

b. concentraţia impurităţilor în canal este mult mai redusă ca în regiunile

grilelor formându-se astfel joncţiuni p+n abrupte;

c. mobilitatea purtătorilor în canal este constantă şi nu depinde de

intensitatea câmpului electric;

d. funcţionează aproximaţia graduală în care se admite că având lărgimea

tehnologică 2a, canalul prezintă două regiuni; 1)- regiunea de sarcină

spaţială în limitele căreia se poate considera pentru câmpul electric doar

componenta transversală, Ex, zona haşurată din fig. 5.6); şi 2)- regiunea de

conducţie în care câmpul electric are componentă longitudinală, Ey. Această

aproximaţie se poate aplica numai dacă lărgimea regiunilor de trecere

variază lent în lungul axei y . Tensiunea totală de polarizare inversă a

joncţiunii p+n se notează cu Vi(y) şi este variabilă cu distanţa, având

expresia:

yVVyV CGi (5.3)

unde VC(y) reprezintă căderea de tensiune în lungul canalului între sursă şi

un punct arbitrar.

Fig. 5.6 Aproximaţia graduală la TECJ

Lărgimea regiunii de trecere la o joncţiune abruptă ideală şi

asimetrică este [1]:


160

21

2

D

bi

qN

VyVx

(5.4)

unde Vb este potenţialul de barieră.

Pentru cazul modelului gradual se poate scrie:

21

21

1

202

D

bG

D

bi

qN

VV

qN

VVx

(5.5)

21

21

2

22

D

bDG

D

bi

qN

VVV

qN

VLVx

(5.6)

La un TECJ cu canal n în conexiune sursă comună (SC), tensiunea

de drenă este pozitivă, iar VG şi Vb sunt negative; deci tensiunea totală

existentă la limitele regiunii de trecere este dată de suma celor trei tensiuni.

Dacă în (5.6) impunem condiţia de închidere a canalului x2= a , la

VD = 0 se obţine valoarea de prag a tensiunii de grilă.

2

2a

qNVVV D

bPPO

(5.7)

Se poate scoate:

bPOP VVV (5.8)

VPO se numeşte tensiune de închidere, iar în multe aplicaţii se consideră

VP VPO, deoarece Vb are valori de ordinul 0,15 ÷ 0,3V, iar VPO de ordinul

a 10V.

În TECJ purtătorii au o mişcare datorată câmpului electric,

densitatea curentului fiind dată de legea lui Ohm:

yxEyjy , (5.9)

În baza aproximaţiei graduale expresia (5.9) se rescrie în forma:


161

dy

ydVxNqEyj C

nyy (5.10)

unde mărimea N(x) reprezintă concentraţia transversală a impurităţilor în

canal. Aria transversală a canalului este:

ZybA 2 (5.11)

Presupunând o dopare uniformă a canalului cu impurităţi, curentul

de drenă are expresia:

dy

ydVNZqybI C

DnD 2 (5.12)

Din (5.4) se poate determina prin neglijarea lui Vb≪VB şi (5.7)

expresia lui b(y):

21

1p

CG

V

yVVaxayb (5.13)

Dacă se introduce (5.13) în (5.12) şi se efectuează integrarea între

limitele: y = 0, VC(0) = 0 şi y = L, VC(L) = VD rezultă:

23

23

21

3

22GDG

P

DDn

D VVVV

VL

aNZqI

(5.14)

Expresia (5.14) este aplicabilă regimului nesaturat când:

PDG VVV (5.15)

La tensiuni de drenă mici se presupune că lărgimea efectivă a

canalului nu variază semnificativ cu distanţa şi este dată de tensiunea

aplicată grilei. Astfel (5.13) devine:


162

21

1P

G

V

Vab (5.16)

iar câmpul electric în canal este constant:

L

VE D

y (5.17)

Curentul de drenă capătă expresia:

21

12

P

ODDnD

V

V

L

VNZaqI

(5.18)

care indică o dependenţă liniară a curentului de tensiunea de drenă. Când

VG= VP curentul devine zero.

La atingerea egalităţii în relaţia (5.15) prin variaţia lui VG sau VD,

canalul se închide în apropierea drenei. Pentru un VG dat, tensiunea de drenă

care satisface egalitatea se numeşte tensiune de saturaţie, VDSat; curentul de

drenă corespunzător se numeşte curent de saturaţie, IDSat. În regimul de

saturaţie aproximaţia graduală nu mai este valabilă. Se constată că ID

rămâne constant după depăşirea lui VDSat, având aceeaşi valoare ca la

atingerea condiţiei:

PGDSatD VVVV (5.19)

introducând (5.19) în (5.14) se obţine:

23

231P

G

P

GDSODS

V

V

V

VIatI (5.20)

unde:

L

VNZaqI PDn

DSO3

2 (5.21)


163

reprezintă curentul de drenă în regimul de saturaţie când tensiunea pe grilă

este nulă.

Pentru regiunea de saturaţie se foloseşte o expresie de calcul a

curentului de forma [1]:

n

P

GDSODSat

V

VII

1 (5.22)

unde n = 1,9÷2,5 (de cele mai multe ori se ia valoarea 2).

În tabelul 5.1 sunt prezentate caracteristicile principale ale

tranzistorului cu efect de câmp cu poartă joncţiune şi cu canal n, tip BF

245C-PHILIPS.

Tabelul 5.1 Caracteristici principale ale tranzistorului TECJ BF 245C

Mărimea Condiţii de test Valori

min max UM

VD,Tensiune drenă-

sursă ± 30 V

VG, Tensiune grilă-

sursă 0DV -30 V

ID, Curent de drenă 12 25 mA

V(BR)G,Tensiune de

străpungere grilă-

sursă

0,1 DG VAI -30 V

VGOFF, Tensiune de

tăiere grilă-sursă VVnAI DSD 15,10 -0,25 -8,0 V

IG, Curent de grilă CTVVV

CTVVV

jDG

jDG

125;0,20

25;0,20

-

-

-5,0

-0,5

nA

μA

Ptot, Putere totală

disipată CTa

75 300 mW

Tstg, Temperatură

de stocare -65 +150 ºC

Cis, Capacitate de

intrare

MHzfVVVV GD 1,1,20

4 pF

Crs, Capacitate de

reacţie MHzfVVVV GD 1,1,20 1,1 pF

Cos, Capacitate de

ieşire MHzfVVVV GD 1,1,20 1,6 pF

fg, Frecvenţă de

tăiere 0,15 GD VVV 700 MHz


164

5.3 Caracteristicile statice ale TECJ

În regim de funcţionare normală joncţiunea poartă-canal este

polarizată invers şi curentul de intrare poate fi considerat nul. De aceea

caracteristicile de interes sunt: de ieşire şi de transfer. Conexiunea cea mai

des utilizată pentru TECJ este sursă comună (SC), la care se va face referire

în continuare.

În fig. 5.7 este prezentată schema de trasare a caracteristicilor statice.

Fig. 5.7 Schema pentru trasarea caracteristicilor statice la TECJ

a. Familia caracteristicilor de ieşire:

ctVDD GVfI (5.23)

În fig. 5.8 sunt date caracteristicile de ieşire ale tranzistorului BF

245C produs de PHILIPS SEMICONDUCTORS.

Notă importantă: Pe caracteristicile de catalog prezentate in continuare

notaţia VDS semnifică tensiunea de drenă in montaj sursă comuna (SC.) La

fel si tensiunea VGS semnifică tensiunea de grilă în acelaşi tip de montaj.

La tensiuni de drenă mai mici (sub 0,5V) între curentul de drenă ID şi

tensiunea drenă-sursă, VD, există o dependenţă liniară (5.18),

caracteristicile fiind drepte care trec prin origine şi a căror pantă depinde

de tensiunea grilă - sursă (VG). La tensiuni de drenă mai mari (peste 6V)

TECJ este saturat, curentul de drenă, ID, fiind efectiv comandat de

tensiunea grilă-sursă, VG. Caracteristicile de ieşire nu sunt echidistante.

Ele se îndesesc pe măsură ce VG se apropie de VP.


165

Fig. 5.8 Caracteristici de ieşire la tranzistorul BF 245C

Există deosebiri între caracteristicile reale ale TECJ şi cele estimate

prin modelul prezentat anterior. În fig. 5.9 sunt evidenţiate calitativ

aceste diferenţe. Ele se pot justifica prin utilizarea modelului fizic al

TECJ în care se introduc două rezistenţe structurale rS şi rD. 7.

Fig. 5.9 Caracteristici de ieşire reale şi teoretice la TECJ


166

rs este rezistenţa de volum a regiunii dintre contactul ohmic al sursei şi

capătul canalului, iar rd este rezistenţa de volum între drenă şi celălalt

capăt al canalului. Aceste două regiuni nu sunt comandate de câmpul

electric aplicat. Valorile celor două rezistenţe sunt de 50-150ohm.

Influenţa lor asupra căderilor de tensiune din dispozitiv este mare şi

schimbă forma caracteristicilor reale. În regiunea nesaturată panta

caracteristicilor reale este mai mică deoarece apar căderi de tensiune

suplimentare pe ansamblul rs+rd. În regiunea de saturaţie curentul de

drenă suferă o uşoară creştere şi are o valoare mai mică decât cea

calculată datorită căderii de tensiune pe rs+rd şi efectului de scurtare a

canalului cu tensiunea de drenă, fapt care produce o scădere a rezistenţei

canalului.

Fig. 5.10 Model fizic care explică rezistenţele de volum suplimentare la

TECJ

b. Familia caracteristicilor de transfer:

ctVGD DVfI (5.24)

Se trasează pentru regimul de saturaţie unde curentul de drenă este

slab influenţat de tensiunea drenă-sursă. De aceeea în practică se lucrează pe

o singură caracteristică dată de obicei la tensiunea nominală drenă-sursă.

În fig. 5.11 se prezintă caracteristica de transfer a tranzistorului BF

245C la tensiunea drenă-sursă de 15V.


167

Fig. 5.11 Caracteristica de transfer a tranzistorului BF 245C

La tensiuni de grilă negative mici caracteristica de transfer poate fi

considerată liniară. La tensiuni apropiate de VP caracteristica devine

neliniară având panta variabilă.

În fig. 5.12 se prezintă variaţia rezistenţei drenă-sursă în conducţie în

funcţie de tensiunea grilă-sursă pentru tranzistorul BF245 în cele trei

variante ale sale. Una din aplicaţiile de interes ale TECJ este utilizarea ca

rezistor comandat în tensiune.

Fig. 5.12 Variaţia rezistenţei drenă-sursă la tranzistorul BF245 în funcţie

de tensiunea de comandă grilă-sursă


168

5.4 Parametrii de semnal mic şi schema echivalentă TECJ

Considerând tranzistorul într-un punct static, PSF (VGQ,VDQ,IDQ) se

calculează diferenţiala totală a curentului de drenă:

D

D

DG

G

DD dV

V

IdV

V

IdI

(5.25)

Se definesc:

1) Transconductanţa (panta tranzistorului); gm:

1

AVg

V

Ig

SIm

G

Dm

(5.26)

2) Conductanţa de drenă, (conductanţa de ieşire), gd:

1

AVg

V

Ig

SId

D

Dd

(5.27)

Se utilizează şi rezistenţa de ieşire:

1

dd gr (5.28)

3) Factorul de amplificare în tensiune, :

G

D

V

V

(5.29)

între parametrii gm, gd şi există relaţia:

dm

d

m rgg

g (5.30)


169

4) Conductanţa diferenţială de intrare, ggs:

G

Ggs

V

Ig

(5.31)

Joncţiunea grilă-canal fiind polarizată invers, conductanţa are valori

foarte scăzute (rgs = ggs-110

9Ω) şi se neglijează în schemele echivalente.

5) Capacităţile TECJ. Cele mai importante sunt capacităţile grilă-

canal Cgs, şi grilă-drenă Cgd. De obicei ele includ şi capacităţile dintre

terminale. Există şi o capacitate drenă-sursă, Cds care caracterizează

comportarea diferenţială a regiunii saturate în funcţionarea TECJ. Porţiunea

deschisă a canalului se modelează printr-un circuit RcCc.

Presupunând semnale mici (vezi cazul tranzistorului bipolar în

regim de semnal mic - cap. 4.7), se consideră TECJ element liniar, fapt care

permite trecerea de la diferenţiale, la creşteri finite care pot fi scrise sub

forma valorilor instantanee ale componentelor alternative:

dsdgsmd vgvgi (5.32)

Schema echivalentă completă de semnal mic pentru TECJ este

prezentată în figura 5.13. S-au introdus şi inductanţele legate de prezenţa

terminalelor. Frecvenţa limită este condiţionată în special de capacitatea

grilă-sursă, CgS şi de transconductanţa gm.

gS

m

in

mC

gf

22

1 (5.33)

Fig. 5.13 Schema echivalentă a TECJ la semnal mic


170

Luând în considerare valorile reale ale mărimilor din schema

echivalentă completă, aceasta poate fi simplificată şi adusă la forma din fig.

5.14.

Fig. 5.14 Schema echivalentă a TECJ la semnal mic şi frecvenţe joase

5.5 Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă izolată (TECMIS)

În fig. 5.15 se prezintă structura unui tranzistor TECMIS (Tranzistor

cu efect de câmp cu structură metal-izolator semiconductor). Într-un

eşantion semiconductor cu dopare medie tip p, se realizează două regiuni

puternic dopate n+ deasupra cărora se depun contacte ohmice care devin

sursa (S) şi drena (D). Între drenă şi sursă există o regiune de semiconductor

care constituie canalul tranzistorului. Pe suprafaţa acestuia se depune un

strat de izolator, deasupra căruia se realizează un strat metalic subţire care

devine poarta sau grila dispozitivului. La cele mai multe tranzistoare ca

izolator se folosesc oxizi (la componentele cu siliciu, SiO2). Tehnologiile

utilizate sunt cel mai des planare.

La TECMIS conducţia curentului se face la suprafaţa semiconductorului,

canalul conductor fiind foarte subţire. După modelul de formare al canalului

conductor în tranzistor există două variante:

1. TECMIS cu canal indus (fig. 5.16, a). Dacă se aplică o tensiune

pozitivă între grilă şi sursă (VG) de ordinul volţilor, golurile din

apropierea suprafeţei vor fi împinse în substrat, iar electronii minoritari

din substrat vor fi atraşi la suprafaţă formând un strat de tip n. Se

formează un strat de inversiune care asigură conducţia. Dacă se aplică

tensiune între drenă şi sursă apare curentul de drenă ID. Curentul de

drenă va creşte odată cu creşterea tensiunii VG, care va mări concentraţia

electronilor din canal.


171

Polarităţile tensiunilor de lucru la TECMIS cu canal indus se aleg

astfel încât să se asigure formarea unui strat de inversiune (VG 0 la

substrat tip p) şi polarizarea inversă a joncţiunilor drenă-substrat şi sursă-

substrat (VD 0 la substrat tip n şi VD 0 la substrat tip p).

a) b)

Fig. 5.15 Structura unui tranzistor TECMIS tip n:

a) secţiune transversală; b) vedere dinspre terminale

a) b)

Fig. 5.16 Variante posibile de TECMIS cu substrat p:

a) cu canal indus; b) cu canal iniţial

În fig. 5.17 sunt date caracteristicile tipice pentru TECMIS cu canal

indus de tip n. La tensiuni de drenă mici tranzistorul se comportă ca o

rezistenţă comandată de tensiunea VG. La tensiuni de drenă mai mari se

atinge regimul de saturaţie în care curentul de drenă nu mai depinde de

tensiunea de drenă.


172

a b

Fig. 5.17 Caracteristici statice tipice la TECMIS cu canal indus de tip n:

a- caracteristici de ieşire; b- caracteristici de transfer

2. TECMIS cu canal iniţial (Fig. 5.16, b). La acest tranzistor canalul

conduce chiar la VG = 0. În cazul unui tranzistor cu canal tip n o tensiune

pozitivă aplicată grilei va provoca o creştere a numărului de electroni şi deci

o creştere a curentului de drenă. Dacă la acelaşi tip de tranzistor tensiunea

de grilă devine negativă, conducţia curentului se va micşora iar curentul de

drenă va scădea. Polaritatea tensiunilor la TECMIS cu canal iniţial impune

aceleaşi condiţii de polarizare inversă a joncţiunilor drenă-substrat în timp

ce între grilă şi sursă pot fi aplicate atât tensiuni negative cât şi pozitive.

În fig. 5.18 sunt date caracteristicile tipice ale unui tranzistor

TECMIS cu canal iniţial.

a b

Fig. 5.18 Caracteristici statice tipice la TECMIS cu canal iniţial de tip n:

a- caracteristici de ieşire ; b- caracteristici de transfer


173

În fig. 5.19 sunt prezentate variantele posibile de TECMIS cu

polarizările necesare funcţionării şi simbolurile utilizate.

Fig. 5.19 Variante posibile de TECMIS cu polarizările necesare funcţionării

şi simbolurile acestora

5.6 Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă metal-oxid

semiconductor (TECMOS) cu canal indus

În cele mai multe cazuri în dispozitivele fabricate din siliciu

izolatorul este realizat dintr-un strat de oxizi, obţinându-se o structură MOS

(Metal-Oxid-Semiconductor). Tranzistoarele astfel construite se numesc

TECMOS (sau în engleză MOSFET; Metal-Oxid-Semiconductor Field

Effect Tranzistor). Particularitatea cea mai interesantă este rezistenţa de

intrare foarte mare care ajunge la 1015

Ω. Se consideră tranzistorul MOS din

fig. 5.20 unde pe grilă este aplicată o tensiune VG suficientă pentru a forma

un strat de inversiune puternic între sursă şi drenă în timp ce tensiunea pe

drenă este mică VDVG. Prin canal va circula un curent, în lungul acestuia

existând o cădere de tensiune. Fiecare secţiune a canalului este caracterizată

de tensiunea VC(y). Tensiunea efectivă dintre poartă şi canal VGC, mărime

care determină intensitatea câmpului electric transversal în izolator, este

variabilă cu distanţa. Lărgimea canalului scade de la sursă spre drenă. Se pot


174

face următoarele ipoteze simplificatoare care permit efectuarea calculelor ce

conduc la expresia analitică a curentului de drenă:

a) mobilitatea purtătorilor în canal nu depinde de intensitatea câmpului

electric;

b) izolatorul dintre poartă şi canal este ideal şi se consideră doar existenţa

sarcinilor pozitive fixe de la interfaţa izolator-substrat de densitate QSS;

c) toate sarcinile induse la suprafaţa semiconductorului de către VG şi QSS

sunt mobile;

d) concentraţia impurităţilor acceptoare din substrat este constantă şi se

consideră că substratul are o grosime foarte mare;

e) în izolator câmpul electric are numai componentă transversală Ex, iar în

canal numai componentă longitudinală Ey - aceasta ipoteză reprezintă

aproximaţia graduală;

f) curentul de drenă este datorat mişcării de drift a electronilor în lungul

canalului, se neglijează curenţii de difuzie şi procesele de generare-

recombinare.

Fig. 5.20 Model pentru calculul curentului de drenă la TECMOS cu canal

indus

Expresia densităţii de curent în canal este:

ync Eqnyxj , (5.34)

unde nc reprezintă concentraţia electronilor în canal iar n mobilitatea

acestora. Ştiind adâncimea canalului (Z), curentul de drenă poate fi scris în

forma:


175

Cx

D dxyxjZI0

, (5.35)

Este convenabil să se determine curentul de drenă în următoarele

cazuri pariculare :

1. Tensiuni de drenă reduse ( GD VV ). Trebuie introdusă

tensiunea de prag VP ca fiind tensiunea minimă care trebuie aplicată pe

poartă pentru formarea incipientă a stratului de inversiune în substratul

semiconductor la interfaţa cu izolatorul. Experimental s-a observat că în

stratul de SiO2 la interfaţa cu Si se acumulează o sarcină pozitivă care

produce în cazul TECMOS cu canal n (substrat tip p) un canal indus chiar la

VG= 0, astfel încât ID va fi diferit de zero. Pentru a anula curentul de drenă

este necesară aplicarea unei tensiuni negative pe poartă VP. Pentru tensiuni

de poartă negative cuprinse între 0 şi VP tranzistorul funcţionează în regim

de strat sărăcit, iar pentru tensiuni de poartă pozitive funcţionează în regim

cu strat de inversiune (îmbogăţit).

În cazul tensiunilor de drenă foarte mici se presupune că tensiunea

poartă-canal este constantă pe întreaga lungime a canalului:

PGGC VVV (5.36)

deci câmpul electric transversal:

i

GCx

x

VE (5.37)

este independent de y; xi este grosimea izolatorului.

Câmpul longitudinal se aproximează ca:

L

VE D

y (5.38)

Ţinând cont de (5.38), (5.34) şi (5.35) se poate scrie:

cx

cD

nD dxqnL

VZI

0

(5.39)


176

Pe baza legii lui Gauss:

cx

xinc EyQdxqn0

(5.40)

Qn(y) este concentraţia pe unitate de suprafaţă a electronilor din stratul de

inversiune. i este permitivitatea electronică a izolatorului.

Se obţine expresia curentului de drenă la tensiuni reduse:

DPG

i

inD VVV

Lx

ZI

(5.41)

care indică o dependenţă liniară.

2. Tensiuni de drenă comparabile cu tensiunea de grilă

( PGD VVV ). Prin trecerea curentului ID în canal apare o cădere de

tensiune VC(y), şi atât câmpul transversal cât şi cel longitudinal vor suferi o

variaţie.

iCPGx xyVVVyE / (5.42)

dy

ydVyE C

y (5.43)

Din legea lui Gauss se poate scrie:

i

x

CPGinc xyVVVyQdxqnc

/0

(5.44)

Folosind ultimile trei relaţii curentul de drenă se poate scrie:

dy

ydVyZQdxqn

dy

ydVZI C

nn

x

cC

nD

c

0

(5.45)


177

ydVyVVVx

ZdyI CCPG

V

i

in

L

D

D

00

(5.46)

Se obţine:

2

2

DDPG

i

inD

VVVV

Lx

ZI

(5.47)

Această expresie a curentului descrie porţiunea de neliniaritate

pronunţată a caracteristicii până la intrarea în saturaţie.

3. Tensiuni de drenă de valori mari PGD VVV . Este cazul

funcţionării în regim de saturaţie. Câmpul electric Ex şi concentraţia Qn(y)

devin zero dacă PG VV . La fel şi în cazul unor tensiuni de drenă suficient

de mari; mărimile Ex(y), xc şi Qn(y),pot deveni zero în apropierea drenei.

Din relaţia (5.44) rezultă că dacă Ex(L) = 0 şi Qn(L) = 0, atunci:

DSPGC VVVLV )( (5.48)

VDS reprezintă tensiunea de saturaţie. Când este satisfăcută condiţia (5.48)

stratul de inversiune dispare lângă drenă şi are loc gâtuirea canalului, fapt

exprimat prin Qn(L) = 0. La tranzistorul real Qn(L) nu este zero pentru că

există curent la atingerea VDS. Există o rezistenţă de valoare mare a

canalului în imediata apropiere a drenei.

Curentul se obţine introducând (5.48) în (5.47):

22)(

2PGSOPG

i

inDS VVKVV

Lx

ZI

(5.49)

K0 este o constantă care depinde de tranzistor.

5.6.1 Caracteristici statice ale TECMOS cu canal indus

În cazul TECMOS interesează caracteristicile de ieşire şi cele de

transfer. În fig. 5.21 sunt prezentate caracteristicile de ieşire la tranzistorul

BSH 103.


178

ctVDD GVfI (5.50)

Fig. 5.21 Caracteristici de ieşire ale TECMOS cu canal n indus BSH 103

La tensiuni de drenă foarte mici ID depinde liniar de VD, urmează

apoi porţiunea neliniară a caracteristicilor, iar după aceasta regiunea de

saturaţie în care canalul se închide. Valorile curentului în cele trei cazuri

sunt descrise de expresiile analitice găsite în secţiunea precedentă. Păstrând

constantă rata de creştere a tensiunii de poartă,VG, caracteristicile de ieşire

nu sunt echidistante deoarece între ID şi VG există o dependenţă pătratică. În

majoritatea calculelor care se fac pentru utilizarea TECMOS în montaje de

amplificare se consideră că în regiunea saturată caracteristicile sunt paralele.

Al doilea tip de caracteristici de interes sunt cele de transfer:

ctVGD DVfI (5.51)

În fig. 5.22 este dată caracteristica de transfer a aceluiaşi tranzistor

tip BSH 103 la o tensiune VVD 10 .


179

Fig. 5.22 Caracteristica de transfer la TECMOS cu canal n indus, BSH 103

Regimul normal de funcţionare al TECMOS fiind cel de saturaţie, ca

urmare a influenţei slabe a tensiunii VD asupra curentului ID, caracteristicile

de transfer (luate la diferite tensiuni de drenă) sunt foarte apropiate, în

practică folosindu-se una singură ca în fig. 5.22. Pe caracteristica de transfer

se poate observa şi valoarea tensiunii de prag, VP. De obicei sunt date

curentul de drenă maxim şi tensiunea de poartă corespunzătoare.

Fig. 5.23 Montaj pentru trasarea caracteristicilor statice la TECMOS tip n


180

5.7 Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă metal oxid

semiconductor TECMOS, cu canal iniţial

Structura TECMOS cu canal iniţial este asemănătoare cu cea a

TECMOS cu canal indus prezentată în paragraful 5.6. Deosebirea constă în

doparea zonei canalului care permite conducţia şi la tensiune VG = 0. Să

presupunem acelaşi tip de canal ca în consideraţiile precedente şi anume tip

n.

La tensiuni VG = 0 între sursă şi drenă circulă un curent important de

purtători majoritari deoarece conductanţa canalului dopat n este diferită de

zero. Dacă se aplică pe poartă tensiuni negative, electronii vor fi împinşi din

canal unde ia naştere un strat sărăcit, adică o regiune de sarcină spaţială

pozitivă formată din ioni donori. Se produce micşorarea conductanţei

canalului. La atingerea pe grilă a tensiunii de prag VP, conductanţa canalului

devine zero, curentul de drenă devenind nul.

Aplicând pe poartă tensiuni pozitive TECMOS cu canal iniţial

funcţionează în regim cu strat îmbogăţit. În regiunea canalului sunt atraşi

electroni suplimentari care măresc conductanţa acestuia provocând creşterea

curentului de drenă.

În fig. 5.24 sunt prezentate caracteristicile statice de ieşire şi transfer

pentru un tranzistor TECMOS cu canal iniţial de tip n.

Fig. 5.24 Caracteristici statice tipice pentru un TECMOS cu canal

iniţial tip n : a) caracteristici de ieşire; b) caracteristica de

transfer la tensiunea de drenă de 10V


181

5.8 Parametrii de semnal mic şi scheme echivalente ale

TECMOS

Pentru a putea utiliza în circuite tranzistoarele TECMOS sunt

utilizaţi câţiva parametri care permit definirea performanţelor şi efectuarea

calculelor necesare pentru buna lor funcţionare. Se definesc în condiţii de

semnal mic şi frecvenţe joase:

1. Transconductanţa (panta tranzistorului), gm:

1

AVg

V

Ig

SIm

G

Dm

(5.52)

Utilizând expresiile curentului de drenă (5.41) şi (5.47) pentru

regiunea iniţială a caracteristicilor de ieşire şi pentru regiunea nesaturată se

obţine pentru transconductanţă o expresie de forma:

D

i

inm V

Lx

Zg

2,1 (5.53)

Analizând expresia (5.53) se constată că transconductanţa nu

depinde de VGS şi VP, iar pentru obţinerea unor valori ridicate ale acesteia

trebuie construite canale având L mic şi Z mare şi cu grosimi reduse ale

izolatorului xi.

În regiunea de saturaţie transconductanţa se obţine pornind de la

expresia (5.49) a curentului de drenă:

DS

i

inm V

Lx

Zg

3 (5.54)

2. Conductanţa de drenă (conductanţa de ieşire), gd:

1

AVg

V

Ig

SId

D

Dd

(5.55)

Pentru regiunea iniţială a caracteristicilor se obţine din (5.41):


182

PG

i

ind VV

Lx

Zg

1 (5.56)

Variaţia liniară a conductanţei gd1 de tensiunea de grilă permite

utilizarea TECMOS ca rezistor liniar comandat în tensiune.

Pentru regiunea nesaturată se obţine din (5.47):

DPG

i

ind VVV

Lx

Zg

2 (5.57)

Analizând această ultimă relaţie se constată că odată cu creşterea

tensiunii de drenă şi apropierea acesteia de valoarea de saturaţie:

PGDSat VVV , conductanţa canalului tinde la zero.

În regim de saturaţie trebuie considerat efectul de scurtare al

canalului şi creşterea curentului ID, care conduc la 7 :

DSatDAS

DSatDASD

dVVqNL

VVqNIg

/2

2/3

(5.58)

Din analiza expresiei (5.58) se observă că: în regiunea de saturaţie

conductanţa gd3 este direct proporţională cu curentul de drenă; depinde de

VG şi variază cu tensiunea aplicată drenei.

În unele cazuri se utilizează rezistenţa la ieşire:

1 dd gr (5.59)

3. Factorul de amplificare în tensiune:

G

D

V

V

(5.60)

La fel ca la TECJ se poate stabili legătura:

dmrg (5.61)


183

4. Capacităţile TECMOS: Studiul acestor capacităţi este important în

cazul utilizării TECMOS la frecvenţe medii şi înalte. Se iau în calcul

capacităţile provocate direct de structura MOS. Capacitatea specifică este

ii xC /0 , care se manifestă între poartă-sursă şi deasemenea între poartă-

drenă. Există şi o capacitate drenă-sursă.

Cea mai mare importanţă în funcţionare o are capacitatea de intrare

poartă-sursă. O expresie pentru această capacitate este dată în 7 :

03

2LZCCgs (5.62)

Schema echivalentă completă de semnal mic este prezentată în fig.

5.25, unde dreptunghiul cu linie punctată delimitează structura tranzistorului

propriu-zis intrinsec. Elementele reprezentate sunt: Cgsi - capacitatea poartă-

sursă, Cgdi - capacitatea poartă-drenă; gm()Vgsi - generatorul de curent; rdi=

1/gdi - rezistenţa diferenţială de drenă; L0 - inductanţă; Rgsi şi Rgdi -

rezistenţe ohmice ale canalului necomandat.

Fig. 5.25 Schema echivalentă completă a TECMOS

Elementele externe (din afara dreptunghiului punctat) sunt date de

fixarea contactelor şi de încapsularea structurii: Lg, Ld, Ls - inductanţele

terminalelor; Rd; RS - rezistenţele electrice ale contactelor, Rge, Rde -

rezistenţele finite ale substratului; Cgse, Cgde - capacităţi datorate

suprapunerii parţiale a porţii peste sursă şi respectiv drenă; Cg1 şi Cd1 -

capacităţi care apar între poartă şi peliculele metalice depuse pe sursă şi


184

drenă; Cd2 - capacitatea regiunii sărăcite drenă-substrat; C12, C23, C39 -

capacităţile între terminalele capsulei.

În practică se utilizează scheme simplificate care au definite

elemente direct măsurabile experimental. O astfel de variantă este prezentată

în fig. 5.26.

Fig. 5.26 Schema echivalentă a TECMOS

Capacităţile Cgs, Cgd şi Cds includ global capacităţile existente. Dacă

se consideră funcţionarea TECMOS la frecvenţe joase unde reactanţele

capacitive pot fi neglijate se obţine schema echivalentă simplificată din fig.

5.27.

Fig. 5.27 Schema echivalentă a TECMOS la frecvenţe joase

Frecvenţa maximă de funcţionare a TECMOS va fi limitată de

capacitatea grilă-sursă şi de transconductanţa la saturaţie 7 :

gs

mm

C

gf

23 (5.63)

Considerând expresia gm3 şi luând pentru Cgs expresia (5.62) se

obţine:


185

24

3

L

Vf DSn

m

(5.64)

Analizând expresia (5.64) se observă că pentru a obţine frecvenţe de

lucru ridicate trebuie utilizate materiale semiconductoare cu mobilitate

ridicată (ex.GaAs) cu canal tip n, canalul să fie cât mai scurt, iar tensiunea

de drenă ridicată.

În tabelul 5.2 se prezintă caracteristicile principale ale tranzistorului

TECMOS cu canal n tip BSH 103 PHILIPS.

Tabelul 5.2 Caracteristici principale ale tranzistorului TECMOS cu

canal n tip BSH 103 PHILIPS.

Mărimea Condiţii de test Valori

min max

Unităţi

de

măsură

VD, Tensiune drenă-sursă 30 V

VG, Tensiune grilă-sursă ±8 V

ID, Curent de drenă CTa

80 0,85 A

rON, Rezistenţa în

conducţie

AIVV DG 5,0,5,2 0,5 Ω

IDSS, Curent de pierderi

drenă-sursă VVV DSG 24,0 100 nA

IGSS, Curent de pierderi

grilă-sursă 0,8 DG VVV ±100 nA

Cis, Capacitate de intrare MHzf

VVV DG

1

,24,0

83 pF

Crs, Capacitate de reacţie MHzf

VVV DG

1

24,0

14 pF

Cos, Capacitate de ieşire MHzf

VVV DG

1

24,0

27 pF

ton, Timp de comutare

directă

6,5,0

15,80

GEND

DGS

RAI

VVVV 6 ns

toff, Timp de comutare

inversă

6,5,0

15,80

GEND

DGS

RAI

VVVV 20 ns

Ptot, Putere total disipată CTa

80 0,5 W


186

5.9 Aplicaţii ale tranzistoarelor cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp au căpătat o utilizare intensă în

circuitele electronice discrete cât şi în circuitele integrate. Performanţele lor

tind să conducă la înlocuirea tranzistoarelor bipolare. În cele ce urmează

sunt prezentate câteva aplicaţii directe, simple, ale tranzistoarelor cu efect de

câmp.

A. TECJ utilizat ca rezistenţă variabilă comandată în tensiune

Analizând caracteristicile de ieşire ale TECJ se constată că în jurul

originii, la tensiuni mici drenă-sursă (sub 100mV), există o dependenţă

liniară a curentului în funcţie de tensiunea de drenă, controlată de tensiunea

aplicată între grilă şi sursă. Acest fapt este confirmat de expresia (5.18) care

dă curentul de drenă în cazul tensiunilor reduse de drenă.

a b

Fig. 5.28 Caracteristici de ieşire tipice pentru un TECJ; a- pentru domeniul

de variaţie complet al tensiunii de drenă; b- pentru valori reduse

ale tensiunii de drenă (VD < 100mV)

Valorile între care poate fi comandată liniar rezistenţa sunt:

1505,0 şi KR 100max . Desigur că în stare blocată rezistenţa drenă-

sursă a unui TECJ poate atinge valori mult mai mari; de ordinul 108 ÷

1010

Ω.

Folosind comanda rezistenţei electrice a TECJ se realizează

atenuatoare comandate. În fig. 5.29 se prezintă două variante de atenuatoare:

a- în serie cu sarcina; b- în paralel cu sarcina. Considerând varianta b , dacă

se notează cu AS atenuarea în tensiune, aceasta se poate exprima:


187

DS

DS

i

SrR

r

V

VA

0 (5.65)

Limitele între care se poate regla atenuarea depind de valorile

extreme între care poate varia rDS. De regulă atenuarea poate fi modificată în

domeniul 1 - 32 1010 . Acest tip de atenuator comandat se foloseşte în

circuitele de reacţie a amplificatoarelor operaţionale pentru a regla

amplificarea, în oscilatoare pentru stabilizarea amplitudinii şi pentru

comanda frecvenţei, în defazoare programabile şi în bucle de control

automat în circuite de automatizare.

Fig. 5.29 Atenuatoare comandate în tensiune cu TECJ;

a- în serie cu sarcina; b- în paralel cu sarcina

B. TECMOS ca element de comutaţie analogică

În sistemele de achiziţie a datelor, în amplificatoare de curent

continuu cu modulare-demodulare, în calculatoare şi sisteme de comunicaţie

se utilizează tranzistorul cu efect de câmp de tip MOS ca element de

comutaţie analogică, cu proprietatea de a inchide sau a deschide un circuit

electric permiţând trecerea sau asigurînd blocarea semnalelor.

Un element de comutaţie analogică trebuie să îndeplinească o serie

de calităţi: a- să aibă o impedanţă foarte joasă în starea de conducţie (rON) şi

cât mai ridicată în starea blocată (rOFF); b- să transfere semnalul în stare

închisă cu distorsiuni minime; c- să comute cât mai rapid din starea blocată

în starea de conducţie şi invers; d- să nu existe cuplaj între semnalul de

comandă şi semnalul transmis; e- să consume putere redusă la comutări.

În fig. 5.30 se prezintă schema unui selector de căi analogice pentru

multiplexare în timp, realizat cu TECMOS cu canal indus de tip p. În

absenţa tensiunii de comandă, pe porţi, tranzistoarele sunt în stare blocată şi


188

izolează intrările: IN1÷IN5 de ieşire. Dacă se aplică o tensiune de comandă

pe una din grilele T1÷T5 tranzistorul respectiv va intra în conducţie

permiţând trecerea semnalului corespunzător spre ieşire. Se poate face astfel

o selecţie comandată a semnalelor aplicate spre ieşire.

Fig. 5.30 Selector de canale cu TECMOS

C. Structura CMOS

Elementul constitutiv al circuitelor numerice actuale este structura

CMOS care constă dintr-o pereche de tranzistoare, unul cu canal n şi celălalt

cu canal p, fabricate pe aceeaşi plachetă din semiconductor, cu

interconexiuni de metal între intrări (porţi ) şi ieşiri (drene). În fig. 5.31 se

prezintă structura fizică şi schema electrică a unui element CMOS.

Fig. 5.31 Structura fizică şi schema electrică a uni element CMOS


189

O tensiune pozitivă aplicată pe intrare va deschide tranzistorul cu

canal n şi va bloca tranzistorul cu canal p, iar o tensiune negativă va bloca

tranzistorul cu canal n şi îl va deschide pe cel cu canal p. Nivelele de

tensiune care apar la ieşire sunt practic egale cu valorile tensiunilor de

alimentare VDD şi VSS. În regim static curentul dintre VDD şi VSS este

curentul rezidual al tranzistorului blocat, puterea statică consumată de

dispozitivul CMOS fiind practic nulă. Comportarea structurii CMOS este

echivalentă cu a unui inversor logic: a- o tensiune pozitivă ridicată +VDD

echivalentă nivelului 1 logic aplicată la intrare deschide tranzistorul MOS

cu canal n şi blochează tranzistorul MOS cu canal p stabilind ieşirea la VSS,

adică la nivel 0 logic; b- o tensiune de valoare -VSS echivalentă nivelului 0

logic aplicată la intrare, va deschide tranzistorul MOS cu canal p şi va bloca

tranzistorul MOS cu canal n ieşirea stabilindu-se la + VDD adică la nivelul

logic 1.

Capacitatea statică de intrare în dispozitivul CMOS este de ordinul

2÷5pF. În timpul procesului de comutare capacitatea de intrare creşte de

până la zece ori, datorită efectului Miller cauzat de capacitatea de reacţie

poartă-drenă şi transconductanţei ridicate a elementului. Aceasta conduce la

limitarea frecvenţei de lucru a circuitelor CMOS.

În fig. 5.32 se prezintă schema electrică a unui comutator analogic cu

patru canale comandat numeric.

Fig. 5.32 Schema comutatorului MMC 4066 comandat numeric

Câteva performanţe ale circuitului MMC 4066 sunt:

rezistenţă în stare de conducţie: 80ONr (tipice) la VVV SSDD 15 ;

viteză de răspuns: 40MHz;


190

liniaritate: 0,5%;

distorsiuni reduse sub 0,5% pentru ,1KHzf ,5 VVS VV la

VVV SSDD 10 şi KRL 10 ;

diafonie între canale: -50dB pentru ,9,0 KHzf şi KRL 1 ;

curent rezidual în stare blocată: 10pA pentru VVV SSDD 10 şi

CTA

25 .

D. Precauţii la utilizarea şi montarea tranzistoarelor cu efect de

câmp Tranzistoarele cu efect de câmp se pot distruge uşor prin

străpungerea în timpul manipulării şi al montării în circuite datorită

impedanţei foarte mari de intrare care favorizează acumularea unei sarcini

electrostatice pe grilă, care în urma unei descărcări accidentale poate

străpunge stratul de oxid. O sursă posibilă de sarcină este chiar corpul uman

a cărui capacitate electrică depăşeşte 300pF şi în anumite condiţii se poate

încărca peste 10KV. O simplă atingere a grilei tranzistorului conduce la

deteriorarea acestuia. O altă sursă periculoasă de sarcină sunt casetele,

distanţierele, pungile din polistiren sau policlorură de vinil. Tensiuni mari

pot genera şi echipamentele de lipire precum şi aparatele de măsură.

Pentru a proteja tranzistoarele cu efect de câmp faţă de aceste surse

posibile de sarcină trebuie luate o serie de precauţii:

stocarea dispozitivelor se va face fie în cutii metalice, fie în pungi

conductoare. Este de dorit ca terminalele să fie scurtcircuitate printr-un inel

metalic;

toate echipamentele de manipulare vor fi conectate obligatoriu la masă

şi în primul rând echipamentul de lipire (în cazul simplu - ciocanul de lipit);

zona de lucru se va ventila cu aer ionizat;

operatorul va avea încheietura mâinii legată la masă printr-o brăţară

conductoare înseriată cu un rezistor de cca. 1MΩ.

În afară de aceste măsuri legate de străpungere vor fi respectate cu

stricteţe mărimile electrice specificate de producătorul dispozitivului

utilizat. Pentru protecţia directă privind străpungerea porţii datorită

acumulării de sarcină la unele dispozitive TECMOS sunt realizate prin

construcţie în interior joncţiuni zener cuplate între grilă şi sursă.

Dezavantajul major al acestei metode de protecţie este cel al micşorării

impedanţei de intrare a tranzistorului datorită diodei.

5. tranzistoare unipolare cu efect de câmp 5.1 tranzistorul cu efect

Documents