FET -Tranzistor ovládaný elektrickým poľom

Na rozdiel od bipolárnych tranzistorov (v ktorých je kolektorový prúd pomocou prúdu bázy) v tranzistoroch ovládaných elektrickým poľom (FET) sa ovláda kolektorový prúd pomocou napätia medzi riadiacou elektródou a emitorom. Pretože cez riadiacu elektódu neprechádza prakticky žiaden prúd majú FET-y vysoký vstupný odpor (vyšší ako 10¹⁴ W).
 

Charakteristiky

Existujú dva základné typy FET-ov, každý z nich sa vyskytuje v dvoch prevedeniach s rôznou polaritou (n- kanálový, podobe ako NPN u bipolárnych tranzistorov a p- kanálový, čo je obdoba PNP u bipolárnych tranzistorov):

• JFET (označenie z anglického junction => odpojka) - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou PN prechodom;
• MOSFET - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou izolačnou vrstvou SiO₂ (metal - oxid - semiconductor)

F Fyzikálny princip činnosti unipolárneho tranzistora

• Porovnanie vlastností unipolárneho a bipolárneho tranzistora
• Vstupné a výstupné charakteristiky JFET-u
• Zaťažovacia priamka a voľba pracovných podmienok
• Nastavenie predpätia pre napäľový zosilňovač
• Ako postupovať pri návrhu zosilňovača s FET-om.

q

JFET

Samotný tranzistor JFET ovládaný poľom pomocou ovládacej elektódy oddelenej PN prechodom pozostáva z vodivého hranolka z polovodiča, konce ktorého majú elektródy označené ako kolektor D (označenie z anglického D -drain => kolektor) a emitor S (označenie z anglického S -source => emitor), medzi ktorými pozdĺž je naparená riadiaca elektróda hradlo G (označenie z anglického G -gate). Pomocou napätia na hradle možno ovládať vodivosť hranolka, alebo "kanála".
 

Obr. h-1a. Schematické značky pre JFET-y (a ich porovnanie so značkami pre bipolárny NPN a PNP tranzistor): (A) JFET s kanálom n (B) JFET s kanálom p (Pre FET-y je zaužívané označovať kolektor ako D, emitor ako S a hradlo ako G, na rozdiel od zaužívaného C, E, a B pre bipolárne tranzistory.)  Kvôli lepšiemu odlíšeniu symbolu pre kolektor a emitor v značke je vhodnejšie používať variant symbolu so šípkou naproti emitoru S, hoci vlastnosti FET-ov sú prakticky symetrické voči elektródam S a D.

JFET s kanálom n obvykle pracuje v podmienkach, pri ktorých je emitor S zápornejší ako kolektor D a riadiaci PN prechod je polarizovaný v nevodivom smere (nesmie byť použité kladné predpätie na hradle).

q

MOSFET

V JFET-och vždy existuje veľmi malý zvodový prúd uzavretého PN prechodu (niekoľko nA). V MOSFET-och je hradlo odizolované vrstvičkou SiO₂ a ovládanie sa uskutočňuje len pôsobením elektrického poľa (vstupný odpor ~10¹⁴ W).
 

Obr. h-1b. Schematické značky pre MOSFET-y: (A) MOSFET s kanálom n (B) MOSFET s kanálom p Nový termín podložka alebo substrát (na obr. body)  tvorí s kanálom diódový prechod a tento by mal byť polarizovaný v nevodivom smere alebo aspoň spojený s emitorom (najčastejšie).

U MOSFET-ov môže mať hradlo G ľubovolnú polaritu napätia voči emitorou S, nakoľko hradlo je galvanicky oddelené od obvodu emitor - kolektor. Tento fakt umožňuje zhotoviť dve modifikácie MOSFET-ov :

• S ochudobňovaním kanála (depletion type) - MOSFET tohto typu môže viesť prúd pri oboch polaritách napätia na hradle (medzi emitorom a kolektorom je technologicky vytvorená vodivá cesta - vodivý kanál). Pri zatváraní sa chová obdobne ako JFET a stáva sa pri napätí niekoľko volt nevodivým.

• S obohacovaním kanála (enhancement type) - MOSFET tohto typu je uzatvorený pri nulovom alebo opačnom predpätí a stáva sa vodivým až pri priamom predpätí, keď sa indukciou vytvorí vodivý kanál;

Obr. h-2.Všeobecné rozdelenie FET-ov : JFET N - kanál; P - kanál; MOSFET S ochudobňovaním kanálu (depletion type); N - kanál; S obohacovaním kanálu enhancement type); N - kanál; P - kanál;

Obrázok h-2 ilustruje rozdelenie FET-ov na 5 rôznych typov . Nakoľko vlastnosti jednotlivých typov sú prakticky rovnaké, netreba si preto zvlášť pamätať vlastnosti každého z nich, len obecne, že:

1. Pri uzemnenom emitore sa FET stáva vodivejšim pri zvyšovaní predpätia hradla voči prahovému napätiu v smere napätia na kolektore. (Napr. pri FET-e s obohacovaním kanálu typu - n je treba pozitívna polarita napätia na kolektore. V ďalšom kvôli zjednodušeniu výkladu pri polarizovaní elektród FET-u budeme používať FET s kanálom - n , ktorý používa kladné napájacie napätie U_cc).
2. Vlastnosti emitora a kolektora sú symetrické a každý z nich môže byť použitý vo funkcii emitora.

q	Výstupné charakteristiky FET-u

Na základe priebehu výstupných charakteristík FET-u (obr.h-3) vidno, že FET má vlastnosti skoro stáleho zdroja prúdu I_D ovládaného napätím na hradle U_GS. Pre FET-y s ochudobňovaním kanálu (včetne JFET-u) pri skrate hradla na emitor tečie cez tranistor prúd I_DDS s hodnotou blízkou maximálnej možnej hodnote prúdu. Pre MOSFET s obohacovaním kanálu má podobný význam hodnota prúdu I_D(on) stanovený pri určitom vhodnom otváracom predpätí (nakoľko v tomto prípade I_DDS=0 pri predpätí U_GS=0).

Obr. h-3 Typické výstupné charakteristiky: (A) JFET-u s kanálom -n;  (B) n - kanálového MOSFET-u v obohacovanom móde.

Pre FET-y s ochudobňovaním kanálu existuje v oblasti -3 až -10V (n-kanál) záverné napätie U_p pri ktorom je kolektorový prúd prakticky nulový (obr.h-4). Pri MOSFET-e s obohacovaním má podobný význam prahové napätie U_T (v rozmedzii od 0,5V do 5V), pri ktorom začína tiecť kolektorový prúd. (Kvôli zjednodušeniu výkladu  pre režim obohacovania a ochudobňovania je v ďalšom texte použité rovnaké označenie U_T=U_p na charakterizovanie záverného U_p a prahového U_T  napätia )
 

Obr. h4-Kolektorový prúd sa pri zmenšovaní UGS nemení skokom ale postupne sa zmenšuje (Na osi y je (ID))0,5 ; jednotlivé krivky sú pri rôznych UGS):: V režime ochudobňovania (napr, JFET) možno  násť určité záverné napätie Up, pri ktorom extrapolovaná priamka presekne os UGS.  V režime obohacovania možno  podobne násť určité prahové napätie UT, pri ktorom extrapolovaná priamka presekne os UGS.

Na ilustáciu toho, že kolektorový prúd nezmizne skokom slúži obr.h4 a na jeho základe extrapolovaná závislosť:
 

ID=(UGS)~k((UGS-UT)2,

z ktorej vidno, že:

• vo veľkej časti svojho rozsahu sa mení prúd podľa mocninovej funkcie s exponentom n=1/2;
• charakteristiky MOSFET-u s obohacovaním a ochudobňovaním kanálu majú zhodný priebeh a líšia sa len posunom na osi U_GS. Alebo ináč povedané podstatný je len rozdiel (U_GS - U_T), pri ktorom je napätie medzi hradlom a emitorom U_GS vyššie ako prahové U_T.
• medzi základné parametre FET-u patria parametre: k a U_T. Sú to teda parametre, pomocou ktorých možno určiť závislosť I_D~f(U_GS), podobnú priebehu zobrazenému na obr.h4 a obr.h5.

obr.h5  Priebeh závislosti ID~f(UGS) má dve typické oblasti (predpokladá sa zapojenie FET-u, v ktorom je podložka spojená s emitorom): lineárnu oblasť so sklonom úmerným (UGS-UT), v ktorej kolektorový prúd  ID~2k[(UGS-UT)UDS-0,5UDS2]; nasýtenú oblasť, začínajúcu od napätia UDS(sat)=(UGS-UT), v ktorej je nasýtený kolektorový prúd  ID(sat)=k((UGS-UT)2

Vo MOSFET-och pracujúcich v režime ochudobňovania kanálu ako aj pri JFET-e možno na špecifikovanie konštanty k použiť prúd I_DSS pri napätí U_GS =0 (pri MOSFET-och s obohacovaním kanálu možno použiť namiesto I_DSS hodnotu prúdu I_DS(on) pri vhodne malej hodnote U_GS(on) (napr. U_GS(on)=2U_T) a potom  použiť obdobné vyjadrenie k= I_DS(on)/(U_GS(on)-U_T)²), takže:
 

(f1)

Inú možnosť na charakterizovanie k vo vzťahu I_D~k((U_GS-U_T)² poskytujestrmosť g_m=dI_D/dU_GS odmeraná pri stálom U_DS.
 

(f2)

Ak je známa g_m0 pri zadanej hodnote kolektorového prúdu I_D0 možno z nej prepočítať strmosť g_m pri inom prúde I_D:
 

Napríklad:

pri FET-e v režime s ochudobňovaním je g_{m_max} určené pri U_GS=0, teda pri prúde I_DSS. V prípade potreby prepočtu na inú hodnotu prúdu I_D bude strmosť g_m (pri I_D):

gm= gm_max(ID/IDSS) 0,5;

Nastavenie pracovných podmienok FET-u ilustruje obrázok h6.
 

Obr. h6 Nastavenie pracovných podmienok v zapojení FET-u so spoločným emitorom a spoločným kolektorom v režime: s ochudobňovaním kanálu; V režime s ochudobňovaním kanálu možno využiť odpor v emitore RS (resp. napätie US=ID*RS.) na automatické vytvorenie potrebného predpätia UGS. s obohacovaním kanálu; U FET-ov v režime obohacovania treba zabezpečiť vhodné predpätie z deliča na vstupe.

Pre určenie pracovných podmienok zosilňovača s JFET-om podľa obrázku h6a treba vychádzať z prenosovej charakteristiky FET-u (resp. z požadovaných hodnôt I_DSS=10mA pri U_GS=0, záverného napätia U_T=-3V a želaného prúdu I_D=3mA pri predpätí U_GS=U_T[1-(I_D*R_S)^0,5]=-3(1-(3/10)^0,5)=-3V - zo vzťahu f1). Potrebný odpor pre automatické predpätie U_GS=U_S=I_D*R_S možno učiť R_S=(U_T/I_D)[1-(I_D*I_DS)^0,5] z aproximovanej charakteristiky (vzťah f1):
 

RS=|US|/ID=1,36/0,003=452W.

Obr. h7 Porovnanie náhradných obvodov:  bipolárneho tranzistora a  FET-u (pozri tiež príklad náhradného  obvodu). Okrem iného symbolického označenia elektród sa líšia náhradné obvody len hodnotou odporu rp=inf a iným spôsobom stanovenia strmosti (pre FET zo vzťahu f2)

Na základe náhradného obvodu (obr. h7), ktorý sa od bipolárneho tranzistora líši len hodnotou odporu r_p=inf a iným spôsobom stanovenia strmosti (zo vzťahu f2):
 

gm=(2/|UT|)(IDSSID) 0,5

možno obdobne ako pri bipolárnom tranzistore  určiť  napäťový zisk:
 

Bez zapojeného kondenzátora CS	S vhodne voleným kondenzátorom CS
Au=- RD/[(1/gm)+RS];	Au=- gm RD;

Ak bol zvolený odpor R_D=2,7k W a vhodný kondenzátorom C_S je g_m=3,7mA/V a zosilnenie A_u=-10.

Z príkladu vidno, že zosilňovač s FET-om má menšiu strmosť g_m a tým aj podstatne menšie zosilnenie ako zosilňovač s bipolárnym tranzistorom.

Pre zosilňovanie signálov s dolnou hraničnou frekvenciu f_d=11.5Hz je vhodný kondenzátor:
 

CS=gm/(2pfd)=51mF.

Voľba odporu R₁ medzi vstupnou elektródou G a zemou nie je kritická, z dôvodu veľkého vstupného odporu FET-u. Môže byť aj niekoľko sto MW, nakoľko zvodový prúd JFET-u je rádove nA.

V zapojení sledovača podľa obrázku h6a treba určiť napäťový zisk A_u , vstupný odpor R_in a výstupný odpor R_out ak odpor v emitore R_S=1kW a strmosť v jeho pracovnom bode je g_m=5mA/V.

Nakoľko vstupný prúd cez riadiacu elektródu G je zanedbateľný nehrá úlohu odpor generátora signálu R_g, takže vzťahy pre zapojenie a samotný FET budú rovnaké (na rozdiel od zapojenia s bipolárnym tranzistorom).

Napäťový zisk:
 

Au=AuT=1/[1+(gm/ RS||rDS)]~0,83;

Vstupný odpor (čo možno pokladať za jednu z najväčších predností zapojení s FET-mi):
 

Rin= rp=nekonečno

Výstupný odpor:
 

Rout= RS||(1/gm)~1670W;

Z príkladu vidno, že sledovač s FET-om má podstatne vyšší výstupný odpor ako sledovač s bipolárnym tranzistorom.

Ďalšou nevýhodou FET-ov v porovnaní s bipolárnymi tranzistormi je veľký roztyl charakteristík FET-u v rámci jednotlivých súčiastok rovnakého typu, napr. rozptyl U_G a g_m pri danom prúde I_D.
 

Obr.h8 .Ilustrácia rozptylu parametorv rovnakého typu FET od jedného výrobcu. (Posledný stĺpec udáva rozsah rozptylu).

Vo vysokofrekvenčnej oblasti sú FET-y veľmi dobre aplikovateľné, hlavne kvôli malým medzielektródovým kapcitám. Obr. h9 ilustruje kaskódnu konfiguráciu FET-ov, ktorá podobne ako u bipolárnych tranzistorov minimalizuje vplyv Millerovej kapacity.
 

Obr.h9 .Kaskódne zapojenie párovaných n-kanálových JFET-ov. Hradlo tranzistora Q2 má predpätie UGS2=+5V, aby bolo zabezpečené pracovné napätie kolektora tranzistora Q1.Tranzistor Q1 má zabezpečené automatické predpätie spôsobom, aký sa bežne používa u FET-ov

q	FET ako meniteľný odpor

Obr. h10 Výstupná charakteristika FET-u v oblasti malých napätí UDS.

Ako ilustruje obrázok h10 závislosť kolektorového prúdu I_D od napätia U_DS pri rôznych parametroch U_GS je v oblasti napätí U_DS menších ako (U_GS-U_T) približne lineárna. Táto závislosť môže byť extrapolovaná aj pre opačnú polaritu kolektorového prúdu, takže FET môže byť pre obe polarity malej amplitúdy signálu použitý ako odpor, ovládaný napätím. Z uzáverov uvedených pri obrázku h5 plynie, že v tejto lineárnej časti charakteristiky je odpor R_DS=f(U_GS), konkrétne:
 

1/RDS ~2k[(UGS-UT)-0,5UDS];

Pri kolektorových napätiach (U_DS->0) nižších ako je prahové napätie U_T sa FET chová ako lineárny odpor:
 

RDS ~1/2k(UGS-UT);

Porovnaním g_m zo vzťahu (f1) vidno, že v lineárnej (nesaturovanej oblasti) je odpor kanálu R_DS =1/ g_m. Typické odpory, ktoré možno ziskať pomocou takto pracujúceho FET-u sa pohybujú od 0,1W (pre výkonový FET) do prakticky nekonečného odporu.

Rozsah napätí U_DS, v ktorom má FET vlastnosti odporu závisí od konkrétneho FET-u a od toho nakoľko napätie hradla U_G prevyšuje napätie U_T (alebo U_P). Ako pravidlo pri napätí U_DS<0,1(U_G-U_T) možno dosiahnuť nelinearne skreslenie rádove 2% a pri U_DS~0,25(U_G-U_T) môže byť nelinearta okolo 10% .

FET-y (predovšetkým MOSFET-y) sa veľmi často používajú ako analógové spínače. Využíva sa pritom ich schopnosť prepínať sa z vodivého stavu stavu "ON" do stavu s vysokým odporom "OFF" - čo je požiadavka kladená na napätím riadený element pre spínanie analógového signálu, ktorého vlastnosti sú blízke mechanickému spinaču.

V príklade na obr. h11a je použitý n-kanálový MOSFET v móde s obohacovaním kanálu, ktorý sa nachádza v nevodivom stave (odpor R_OFF>10 GW) pri uzemnenom alebo záporne polarizovanom hradle a signál neprechádza cez spínač. Po pripojení ovládacieho napätia +15V na hradlo sa kanál emitor - kolektor stane vodivým (s odporom R_ON od 25W do 100W). Zapojenie nie je kritické k napäťovým úrovniam ovládacieho signálu - možno použiť na ovládanie aj logické úrovne signálov TTL.
 

(a)	(b)
Obr. h11 Analógový spínač v prevedení s: MOSFET-om JFET-om (dióda zabraňuje vzniku prúdu cez PN prechod hradla)

Uvedené zapojenie pracuje s kladnými analógovými signálmi do +10V (pri vyššej amplitúde nepostačuje ovládacie napätie na hradle na udržanie dostatočne malého odporu R_ON pre vodivý spínač).

Na prepínanie bipolárneho analógového signálu treba použiť symetrické ovládanie +15V a -15V (obr. h11b).

Voľba zaťažovacieho odporu R_L (na obr. 47kW - obecne od 10kW do 100kW) je ovplyvnená:

• Rýchlosťou spínania - z hľadiska rýchlej zmeny náboja na parazitnej výstupnej kapacite C_L spínača by mala byť časová konštanta R_L C_L malá (a teda malý odpor R_L).
• Zoslabením výstupného signálu v pomere R_L /(R_L+ R_OFF) => odpor R_L veľký.

Obr. h12 Vznik poruchového signálu (ihličkovitých impulzov krátkeho trvania) počas prechodného javu prepínania (pri RL~10kW a Cgs~20pF): Označenie na obrázku: drive - ovládací signál output - výstup

Na obr. h13 je uvedená aplikácia spínača s FET-om, ktorá slúži na vynulovanie kondenzátora , ktorý v spojení s operačným zosilňovačom sa používa na generovanie lineárneho prúdu pre A/D prevodníky. Pri generovaní pílovitého priebehu napätia treba zabezpečiť reprodukovateľnosť priebehov generovaného napätia - zabezpečiť nulové počiatočné napätie na kondenzátore.
 
 

Obr. h13. Integračný zosilňovač (integrátor) s zabezpečením vybíjania integrujúceho kondenzátora pomocou spínača s: JFET-om (dióda s odporom 10kW na vstupe zabezpečuje, že na hradle G bude maximálne 0V a FET bude fungovať ako spínač pre signál s kladnou polaritou); N-kanálovým MOSFET-om v ochudobňovanom móde (ako spínač pre bipolárny signál s bipolárnym ovládaním na hradle).

 

Iná aplikácia spínača s FET-om - vzorkovaci obvod, potrebná súčasť mnohokanálového analyzátora impulzov, je uvedená na obr. h14. Vstupný sledovač IC₁ (zabezpečuje nízky výstupný odpor pre spínací tranzistor Q₁), dopravuje počas vzorkovania ("sample") signál cez spínač s FET-om na pamäťový kondenzátor a počas intervalu potrebného na analýzu amplitúdy ("hold") odpája kondenzátor od vstupu, aby sa na ňom čo najdlhšie udžal nahromaždený náboj. Kvôli minimalizovaniu vybíjania pamäťového kondenzátora oddeľuje pamäťový kondenzátor od výstupu ďalší sledovač s operačným zosilňovačom IC₂, na vstupe ktorého je FET.

Obr. h14 Vzorkovací obvod (sample-and-hold) - Lineárne hradlo s pamäťovým kondenzátorom

Opatrné zaobchádzanie s FET-mi.

V dôsledku nie príliš vysokého prierazného napätia vstupu FET-u a vysokého vstupného odporu môže ľahko dôjsť k vzniku statického náboja, ktorý napr. pri dotyku elektródy hradla môže poškodiť tranzistor. Preto výrobcovia doporučujú letovanie s uzemnenou letovačkou, pri manipulácii najprv sa jednou rukou uzemniť a až potom brať do druhej ruky FET. Uvedené opatrenia sú potrebné hlavne v miestnostiach s kobercovou podlahou, počas zimy, keď sa nosia huňaté svetre, keď ľahko pri pohybe môže vzniknuť elektrostatické napätie ~1kV, ktoré sa (prostredníctvom sériového spojenia kondenzátora (100pF) a odporu pokožky (okolo 1kW až 10 kW - podľa vlhkosti pokožky) môže dostať na súčiastku.
 
 
 
 
 

[Návrat]