TRANZISTORI

 

TRANZISTORI

          Tranzistorii sunt elemente de circuit cu trei electrozi având posibilitatea de modificare a puterii de la iesire printr-un consum energetic mic.

În functie de principiul de functionare pot fi tranzistori bipolari sau tranzistori cu efect de câmp.

2.1. Teoria elementara a TBP

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv electronic cu trei jonctiuni realizat prin implementarea pe o pastila semiconductoare a trei zone semiconductoare în ordinea PNP sau NPN, ca în figura 2.1.

 

S-au notat cu E - zona semiconductoare a emitorului, B - zona semiconductoare a bazei, C - zona semiconductoare a colectorului. La fel se noteaza si terminalele, prin intermediul carora avem acces la zonele semiconductoare asociate.

          Pentru ca dispozitivul sa poata functiona corespunzator se iau urmatoarele masuri constructive:

-         zona semiconductoare a emitorului se dopeaza mai puternic decât celelalte zone (indicat în figura prin puterea +);

-         zona bazei este mai subtire decât celelalte zone semiconductoare, teoretic trebuie sa fie mai mica decât drumul mediu pe care îl poate strabate un purtator minoritar în aceasta zona [8, 9 ].

 

În figura 2.2 sunt prezentate, în corespondenta cu figura 2.1, simbolurile celor doua tipuri de tranzistori bipolari (tipul PNP si tipul NPN) precum si regulile de asociere a curentilor si tensiunilor.

Se constata ca simbolul tranzistorului contine o sageata care  indica sensul curentului prin terminalul emitorului si tipul tranzistorului. Daca sageata este orientata catre simbol tranzistorul este PNP.

Sensurile celorlalti doi curenti sunt invers decât sensul curentului de emitor, asa încât sa avem relatia

I=I+I.

Tensiunile se noteaza cu indici în ordinea primul indice - de unde pleaca iar al doilea - unde ajunge ( s.ex. V_CE = V_EC ) asa încât avem relatia pentru tensiuni

V+V+V= 0.  

Pentru a descrie comportarea dispozitivului trebuie sa avem relatiile dinte marimile (3 curenti si 3 tensiuni) asociate tranzistorului. Cele doua relatii elimina doua din variabile asa încât ramân numai 4 marimi.

De regula atât modelele cât si caracteristicile statice considera doua din marimi independente (urmând a fi impuse din exterior) iar celelalte doua se exprima analitic sau grafic în functie de marimile independente.

 

Teoria elementara a tranzistorului considera structura tranzistorului din figura 2.3 cu jonctiunile polarizate de cele doua surse una în conductie (jonctiunea EB emitor - baza) si cealalta în polarizare inversa (jonctiune CB colector - baza).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tensiunea pentru polarizarea directa a unei jonctiuni este mica (în jurul valorii de 0,65V) iar tensiunea de polarizare inversa poate fi mult mai mare, motiv pentru care consideram inegalitatea V<<V.

Datorita polarizarii directe a jonctiunii emitor - baza (J) apare un curent de goluri I care se transfera în zona bazei.

Grosimea bazei fiind mica ("mai mica decât lungimea de difuzie purtatorilor minoritari" -  a golurilor în baza)putine goluri se vor recombina cu electronii din zona bazei (fapt exprimat prin curentul de recombinare notat cu i în figura 2.3).  

          Golurile, provenind din zona emitorului, ajunse în zona bazei vor intra sub influenta câmpului electric E (datorat polarizarii inverse a jonctiunii colector - baza Jde catre  sursa V ). Câmpul  electric E este favorabil tranzitului golurilor din zona bazei în zona colectorului  pentru ca  câmpul electric al jonctiunii polarizate invers s 11211y2416l e opune transferului de electroni din zona N în zona P.

          Efectul de tranzistor consta in modificarea  curentului de goluri (care pleaca de la emitor si ajunge la colector) prin modificarea tensiunii de polarizare a unei jonctiuni polarizate direct si anume tensiunea de polarizare a jonctiunii emitor - baza.

Curentul de emitor nu este format numai din golurile i_EP ci si din electronii care traverseaza jonctiunea i_En din baza catre emitor

.

Se defineste eficienta emitorului, drept capacitatea acestuia de a emite goluri, prin intermediul coeficientului de injectie a golurilor în baza

.

Nu toate golurile care ajung (din zona emitorului) în zona bazei vor reusi sa traca în zona colectorului, pentru ca o parte se vor recombina cu electronii (majoritari) din zona bazei. Recombinarea se exprima prin curentul de recombinare i_r al golurilor si avem relatia

.

Se defineste factorul de transport al golurilor prin baza

.

Curentul de colector I_C este format din golurile provenite din emitor - baza la care se adauga curentul rezidual al jonctiunii colector - baza J _CB (format din electronii minoritari din colector, care sunt deplasate catre baza de câmpul E₀ si din golurile minoritare din zona bazei care vor trece în zona colectorului) notat I_CB0

.

Putem exprima curentul prin intermediul coeficientilor mai sus definiti

.

Se defineste

                          ;   

    factorul static de amplificare în curent direct în conexiunea baza comuna cu iesirea în scurtcircuit (colectorul conectat la baza).

Asa încât avem relatia

                            ,

care reprezinta modelul matematic al tranzistorului bipolar în regim static, pentru zona activa de functionare; model dedus pe baza teoriei simplificate a tranzistorului.

2.2 Modele în regim static

 

Regimul static este acel regim în care marimile de stare a câmpului electromagnetic nu se modifica în decursul timpului.

 

Modelul general al tranzistorului bipolar

 

Tranzistorul are în componenta doua jonctiuni (emitor - baza si colector - baza)  si cele doua jonctiuni determina atât curentul de emitor i_E cât si curentul de colector i_C .

Curentul unei jonctiuni PN este:

.

Plecând de la aceste observatii se construieste modelul general al tranzistorului bipolar

,

curentii fiind conditionati de ambele jonctiuni, prin intermediul unor factori de pondere.

Deoarece tranzistorul este simetric în raport cu zonele extreme PNP, rezulta ca va functiona si daca se inverseaza zona semiconductoare P alocata emitorului cu zona semiconductoare P alocata colectorului (regimul de functionare se cheama inversat).

Performantele vor fi scazute în acest regim fata de regimul direct, pentru ca emitorul nu va mai fi P⁺ si generarea de goluri va fi mai slaba.

.

Coeficientii a_ij depind de elemente constructive ale tranzistorului (tipul semiconductorului, impuritati, dopari, s.a.).

In cazul polarizarii RAD (regiunea activa directa), jonctiunea emitor 

-         baza este  polarizata direct > 0 ,

-          jonctiunea colector - baza este  polarizata invers  .

                       i_C = α_F i_E + I_CB0

În cazul polarizarii in RAI (regiunea activa inversata), jonctiunea emitor-baza este  polarizata invers, iar  jonctiunea colector-baza este  polarizata direct (atentie zona colectorului este în locul zonei emitorului) motiv pentru care avem ca variabila independenta curentul i_C (colectorul emite purtatori)

                       .

       Tranzistorul poate functiona în zona activa directa RAD, în zona activa inversata RAI, dar mai poate fi polarizat ca sa functioneze în înca doua regiuni si anume regiunea de saturatie RS sau regiunea de blocare RB.

    

Polarizarea in zona de blocare RB se face cu surse  care sa polarizate invers ambele jonctiuni apare o bariera de potential si la jonctiunea EBnu avem transfer de goluri din emitor în baza     ,  , ca în figura 2.4.

Starea de blocare este caracterizata prin

                      ,    .

Polarizarea în regiunea de saturatie RS  se face trecând în conductie ambele jonctiuni    exista un curent de goluri care pleaca de la emitor la colector si un curent de goluri de la colector la emitor astfel încât tranzistorul se comporta ca o rezistenta de valoare mica.

Caderea de tensiune pe tranzistor între colector si emitor este de valoare mica V_CEsat fiind dependenta de tipul si natura materialului semiconductor.

 

 

2.3. Caracteristici statice ale TBP

Deoarece teoremele lui Kirchhoff determina doua relatii între marimile externe tranzistorului, este suficient sa dispunem de relatii între patru marimi pentru a cunoaste comportarea dispozitivului.

Se obisnuieste sa se declare drept variabile independente (marimi stabilite de circuitele exterioare dispozitivului) doua din marimile asociate tranzistorului, iar celelalte doua sa fie exprimate în functie de marimile independente.

Daca exprimarea este analitica spunem ca dispunem de un model matematic  al tranzistorului.

Daca exprimarea este grafica spunem ca dispunem de un caracteristici statice ale tranzistorului.

Daca exprimarea este realizata prin intermediul  unor scheme electronice spunem ca dispunem de o schema echivalenta a tranzistorului.

Deoarece marimile independente pot fi considerate oricare doua din cele patru, caracteristicile statice nu sunt unice, depinzând de modul în care s-au adoptat marimile independente.

Tranzistorul având trei electrozi devine cuadripol daca unul din electrozi este comun atât intrarii cât si iesirii.

Plecând de la aceasta afirmatie tranzistorul poate fi conectat în

-         baza comuna, BC,

-         emitor comun, EC

-         colector comun, CC.

Caracteristicile statice pentru conexiunea EC din figura 2.5 sunt exprimate prin familiile de curbe I_B = f(V_EB, V_CB), I_C = f(V_EB, V_CB).

Pentru ca intrarea, în cazul conexiunii emitor comun EC, este între baza si emitor,  caracteristicile statice de intrare, sunt reprezentate prin familia de curbe I_B = f(V_BE) cu parametrul V_CB, curbe prezentate în  figura 2.6a. De fapt caracteristicile sunt ale unei jonctiuni (baza emitor) polarizate direct.

Caracteristicile de iesire, din figura 2.7b, reprezinta dependenta curentului de iesire (I_C curentul de colector) de tensiunea de polarizare inversa a jonctiunii colector - baza în conditiile injectarii unui curent constant I_B= constant prin baza.

În regiunea activa de functionare avem modelul

.

Între curenti exista relatia

.

În conexiunea emitor comun curentul de iesire este I_C, motiv pentru care din cele doua relatii se elimina I_E si se obtine relatia pentru conexiunea EC ,  , unde   este factorul static de amplificare în conexiunea EC a TBP, iar curentul I_CE0 este în relatie cu I_CB0

 _.

În figura 2.7 este prezentata o caracteristica tipica de intrare, care permite separarea aproximativa a regimurilor de functionare, prin tensiunea de  polarizare a bazei:

          V_BE  < 0,5 V               regiunea de blocare RB;

0,5 V<V_BE  < 0,8 V              regiunea activa directa RAD;

           V_BE  > 0,8 V              regiunea de saturatie RS.

Caracteristicile statice ale tranzistorului sunt modificate de valorile parametrilor sau de conditiile de functionare.

·  Efectul cresterii tensiunii inverse  aplicate jonctiunii CB determina multiplicarea în avalansa a purtatorilor, ceea ce poate conduce la strapungerea jonctiunii. Se limiteaza valoarea tensiunii de polarizare inversa a jonctiunii  , sub valoarea tensiunii de strapungere    .            

În cazul conexiunii EC, pe lânga aceasta tensiune de strapungere  se mai defineste o tensiune numita tensiune de sustinere, cu  referitoare la spatiul C-E care are valoarea .

Depasirea acestei tensiuni duce la cresterea tensiunii de colector dar fara sa conduca la strapungerea vreunei jonctiuni a tranzistorului.

·        Temperatura determina scaderea tensiunii cu 2mV la cresterea cu 1 grad Celsius, rezultând cresterea curentului rezidual , care se dubleaza la o crestere de 10 grade a temperaturii si afecteaza factorul de amplificare static in curent in modificarii dupa relatia:

,K=50°C.

·        Efectul cresterii curentului de intrare determina o crestere a curentului de colector care, daca depaseste o anumita valoare , poate conduce la strapungerea tranzistorului, prin topirea jonctiunii.

Se limiteaza .

·        Puterea disipata   este o consecinta a necesitatii de limitare a temperaturii jonctiunii P_d < P_dmax, ceea ce este echivalent cu

Relatia defineste în planul caracteristicilor de iesire o curba numita hiperbola de disipatie, marcata în figura 2.8.

În concluzie punctul static de functionare al tranzistorului trebuie sa nu depaseasca hiperbola de disipatie.

Puterea maxima pe care o poate disipa tranzistorul indicata de producator, pentru un tip de tranzistor, este puterea pe care o poate disipa capsula fara radiator.

Montarea unui radiator termic permite cresterea puterii maxime pe care o poate suporta tranzistorul.

2.4. Polarizarea TBP în zona activa de functionare

Polarizarea tranzistorului în zona activa de functionare însemna proiectarea elementelor unei scheme electronice, asa încât jonctiunile tranzistorului sa fie polarizate corespunzator RAD (regiunii active de functionare), adica jonctiunea emitor - baza sa fie polarizata direct iar jonctiunea colector baza sa fie polarizata invers.  Se impune de asemeni sa fie respectate toate limitarile tranzistorului privind valorile tensiunilor si curentului (vezi paragraful 2.3).

  Se vor prezenta schemele de polarizare a TBP în conexiunea emitor - comun EC, pentru ca schemele de polarizare pentru celelalte moduri de conectare (BC si CC) au aceeasi topologie.

Polarizarea TBP în conexiune EC

Polarizarea tranzistorului în  zona activa de functionare se poate face cu doua surse de t.e.m. V_BB si V_CC , ca în figura 2.9, sau cu o singura sursa V_CC , ca în figura 2.11.

Pentru ochiurile care contin sursele de t.e.m. se scrie teorema a II-a a lui Kirchhoff

    

         

Deoarece tranzistorul este în RAD tensiunea de polarizare a bazei este în jurul valorii V_BE = 0,65 V. Pentru ca sursa V_BB se adopta de valoare mult mai mare ca V_BE, în relatia de mai sus termenul V_BE poate fi neglijat, asa încât 

.

Curentul I_B stabileste curba din planul caracteristicilor de iesire pe care se va gasi punctul static de functionare PSF.

În zona activa de functionare curentul de colector poate fi determinat în functie de curentul injectat în baza

,

unde β_F este factorul static de amplificare în conexiunea EC (cunoscut pentru un tranzistor dat), iar I_CE0 este curentul rezidual de colector - care poate fi neglijat în majoritatea aplicatiilor, ceea ce însemna ca se va folosi relatia .

 Din teorema a II-a a lui Kirchhoff scrisa pentru ochiul de iesire se poate exprima tensiunea

.

Valoarea  tensiunii V_CE si valoarea curentului I_C stabilesc punctul static de functionare al tranzistorului PSF de coordonate (V_CE, I_C) în planul caracteristicilor statice de iesire.

În scopul stabilizarii PSF cu temperatura se introduce un rezistor în emitorul tranzistorului, ca în figura 2.10 [8, 34].

Relatiile se completeaza astfel:

                     ,

                    

Din ultimele relatii avem    si curentul prin baza devine

,

restul elementelor ramânând neschimbate (ca expresiile de mai sus).

          Schemele de polarizare cu o singura sursa de alimentare utilizeaza un rezistor, ca în figura 2.11,a sau un divizor de tensiune, ca în figura 2.11,b, pentru a forma sursa V_BB din sursa de t.e.m.  V_CC .

Pentru figura 2.11a curentul de baza se determina din ecuatia

     ,

unde V_BE = 0,65 V.

Pentru figura 2.11,b curentul de baza se neglijeaza în raport cu I_D, ceea ce înseamna ca I_D circula si prin rezistorul.  Se pot scrie relatiile

,       .

De fapt se putea aplica direct regula divizorului de tensiune

.

Impunând o valoare pentru curentul I_D si considerând

V_BE = 0,65 V, se obtin doua ecuatii prin intermediul carora se calculeaza cele doua rezistoare din baza  tranzistorului.

În conditiile în care se cere ca impedanta de intrare a tranzistorului (cu circuitul de polarizare) sa aiba o valoare impusa - s.ex. sa fie cât mai mare - calculele circuitului de polarizare se vor face luând în considerare curentul care este absorbit de baza tranzistorului.

În cele mai multe aplicatii schema de polarizare din figura 2.11b, va contine si o rezistenta pentru stabilizare termica în emitorul tranzistorului, ca în figura 2.12.

Polarizarea TBP în conexiune BC si CC

În figura 2.13 sunt prezentate circuitele de polarizare pentru conexiunile a) colector comun CC si b) baza comuna BC.

           

Constatam ca modul de polarizare este identic tuturor conexiunilor ( BC, EC, CC) ceea ce înseamna ca metodologia de proiectare a circuitelor de polarizare este aceeasi indiferent de conexiunea tranzistorului.

În cazul proiectarii elementelor de polarizare se cunosc tensiunea pe V_BE0, , (s-a folosit în indice si zero pentru a specifica faptul ca marimile sunt cele din punctul static de functionare). Deoarece PSF este plasat în zona în care caracteristicile de iesire sunt paralele cu axa tensiunii, curentul de colector nu va mai fi functie decât de curentul bazei, asa încât se utilizeaza dependenta liniara a curentului de colector de curentul bazei .

Condensatorii   sunt condensatori decuplare a rezistoarelor pe care sunt conectati (în paralel) având rolul de scurcircuitare a respectivelor rezistoare în regim variabil, motiv pentru care reactanta acestora se adopta mult mai mica decât rezistenta pe care o scurcircuiteaza.

Pentru a elimina perturbatiile datorate modificarii temperaturii se utilizeaza diode sau termistori care sa compenseze variatia cu temperatura a elementelor schemei sau a parametrilor (în cele mai multe cazuri) tranzistorului.

Termistorul îsi modifica rezistenta cu temperatura, motiv pentru care poate fi conectat in locul uneia din rezistentele de polarizare a bazei tranzistorului pentru a corecta variatia cu temperatura a tensiunii V_BE  . O dioda de acelasi tip cu tranzistorul, polarizata direct, conectata în emitorul tranzistorului poate compensa  variatia cu temperatura a tensiunii . O dioda, în polarizare inversa, montata în circuitul bazei tranzistorului compenseaza variatia cu temperatura a curentului rezidual .

2.5. Regimul variabil al TBP

Regimul variabil se considera regim de semnal mic daca semnalele aplicate la intrare sunt suficient de mici pentru a nu deplasa PSF din zona liniara a caracteristicilor ( PSF sa nu intre în zona de saturatie sau în zona de blocare ci sa ramâna tot timpul în zona activa a caracteristicilor statice RAD).

În figura 2.14 se încearca o explicare a regimului de semnal mic.

La intrarea unui tranzistor (spre exemplu în conexiune EC, ca în figura 2.12) se aplica o tensiune variabila , care pe baza caracteristicii de intrare determina un curent i_B. Curentul i_B , tinând seama de ecuatia din figura 6.15 determina un curent i_C, care la rândul sau, pe baza caracteristicilor statice de iesire si a dreptei de sarcina determina o tensiune v₀ de iesire.

Daca PSF se deplaseaza catre curenti mai mari, spre exemplu asa încât în PSF curentul sa fie , alternanta pozitiva a curentului va fi taiata si tensiunea de la iesire va avea numai alternanta negativa.

Tensiunea de intrare este periodica dar de o forma oarecare.

Pe baza dezvoltarii în serie Fourier orice tensiune periodica poate fi scrisa sub forma:

         ,        

Tensiunile sinusoidale determina pentru  k=1 fundamentala tensiunii, iar pentru alte valori ale lui "k" sinusoidele determina armonicile semnalului.

Modele si scheme echivalente cuadripolare

În cazul regimului de curent alternativ se recurge la transformarea în complex a semnalelor.

Transformarea în complex este valabila pentru o frecventa data, dar se poate aplica principiul suprapunerii efectelor, rezulta ca putem aplica transformarea în complex pentru orice frecventa cu observatia ca schema echivalenta a tranzistorului trebuie sa fie valabila pentru frecventa respectiva. Tranzistorul poate fi tratat ca un cuadripol, cu structura din figura 2.15. Descrierea lui se poate face prin intermediul unor ecuatii sau a unei scheme echivalente. Datorita faptului ca între curenti avem  o relatie  I=I+I si între tensiuni o alta relatie  V+V+V=0.  rezulta ca din cele 6 marimi asociate tranzistorului (vezi figura 2.2) ramân 4 cu care avem  posibilitati de descriere a cuadripolului, prin alegerea a doua marimi independente.

Daca se iau ca marimi independente tensiunile V_i  si V₀ ecuatiile care descriu cuadripolul sunt:

Se noteaza cu "y" datorita faptului ca daca se face tensiunea de iesire V₀= 0 =>

                                                       

                            

Admitanta de transfer de la iesire la intrare (yr)

                                                                                        

Admitanta de transfer de la intrare la iesire(yf)

                  

Corespunzator descrierii cuadripolului prin parametrii "y" în figura 2.16 avem schema echivalenta.

Cel mai folosit model cuadripolar al tranzistorului este modelul cu parametri "h" pentru care marimile independente sunt curentul de intrare si tensiunea de iesire(s-a folosit sublinierea pentru a specifica faptul ca sunt marimi vectoriale  în complex, transformate ale marimilor variabile în timp).

În continuare toate marimile cuadripolare si marimile de la bornele cuadripolului cu toate ca sunt marimi în complex nu vor fi notate cu subliniere! Motiv - pentru a nu îngreuna scrierea.

Ecuatiile modelului cu parametri "h" sunt:

Semnificatia parametrilor modelului poate fi stabilita prin anularea succesiva a marimilor independente:

-         impedanta de intrare cu iesirea în scurcircuit  

 

 ;

- admitanta si respectiv rezistenta de iesire cu intrarea în gol

=>;

-         factorul de amplificare în curent cu iesirea în scurcircuit      

                                              

                                         ;

-        factorul de reactie în tensiune cu iesirea în gol

                                           .                            

                                                              

Schema echivalenta asociata modelului este în figura 2.17.

Parametrii de cuadripol depind de conexiunea tranzistorului iar în cataloage se  indica valorile  pentru tranzistorul în conexiune emitor comun EC.

Datorita faptului ca, în cazul conexiunii EC, factorul de reactie h_r are valori mici influenta lui poate fi neglijata  si modelul se rescrie,

                  

                                                                                               

iar schema echivalenta asociata se poate urmari în figura 2.18.

                                                                            

Parametrii de cuadripol ai tranzistorului depind de conexiunea în care au fost definiti. În cataloage sunt indicati parametri de cuadripol pentru tranzistorul aflat în conexiunea emitor comun EC.

2.6. Caracteristici ale tranzistorilor cu efect de câmp

 

Tranzistorul este un dispozitiv electronic care are rolul de a modifica un curent electric important prin modificarea tensiunii de polarizare a unui electod de comanda sau prin modificarea curentului absorbit de electrodul de comanda. Scopul este atins cu cheltuieli minime daca puterea ceruta de electrodul de comanda este mult mai mica decât puterea din circuitul principal, exprimata aici prin intermediul curentului "important".

Tranzistorul bipolar utilizeaza pentru formarea curentului comandat doua tipuri de purtatori de sarcina (goluri si electroni), ceea ce determina anumite inconveniente.

Tranzistorii cu efect de câmp utilizeaza un singur tip de purtatori de sarcina, care circula printr-un canal semiconductor. Electrodul de comanda are rolul de a modifica conductivitatea canalului, în acest fel modificându-se valoarea curentului comandat [12 ].

(Reamintim faptul ca , iar rezistenta canalului este , unde l este lungimea canalului, S sectiunea canalului.)

De fapt electrodul de comanda actioneaza asupra sectiunii canalului S (prin modificarea latimii), care determina modificarea rezistentei R si care rezistenta determina modificarea curentului I.

          Tranzistorii cu efect de câmp se numesc astfel pentru ca modificarea conductivitatii (inversul rezistentei electrice) canalului se face cu ajutorul unui câmp electric mai intens sau mai slab în functie de potentialul electrodului de comanda, numit grila.

Curentul se închide printr-o zona semiconductoare (care reprezinta însasi canalul) între doi electrozi unul numit sursa - pentru ca furnizeaza purtatorii de sarcina si celalalt numit drena - pentru ca are rolul de a colecta purtatorii.

De notat ca prin canal circula purtatorii majoritari. (Circula si cei minoritari dar contributia lor la curentul din canal este mica.)

          În functie de principiul conform caruia se modifica conductivitatea canalului  tranzistorii cu efect de câmp pot fi realizati în doua variante

          -     TEC-J , tranzistor cu efect de câmp cu jonctiune,

-          TEC-MOS,  tranzistor cu efect de câmp

          metal-oxid-semiconductor.

         

Tranzistorul TEC-J are canalul dintr-un  tip de semiconductor (s.ex. de tipul N) iar grila este conectata la canal prin intermediul unui semiconductor cu alt tip de purtatori majoritari (pentru exemplul dat, semiconductorul grilei este de tipul P). În figura 2.19 canalul este de tipul N iar grila este conectata la canal prin intermediul unui strat semiconductor de tipul P⁺. Tranzistorul este TEC-J cu canal n. Grila este polarizata asa fel ca jonctiunea care apare între canal si zona semiconductoare a grilei sa fie blocata (polarizare inversa). În cazul figurii 2.19. grila trebuie sa fie negativa în raport cu canalul.

Jonctiunea fiind polarizata invers zona de golire se extinde mai mult în semiconductorul mai slab dopat, se extinde deci în zona canalului. Extinderea zonei de golire micsoreaza sectiunea canalului, adica micsoreaza sectiunea de trecere a electronilor care pleaca de la sursa, prin canal, catre drena. Pentru ca electronii trebuie sa plece de la sursa, câmpul electric din interiorul canalului trebuie sa fie orientat de la drena catre sursa (electronii au sarcina negativa si se deplaseaza invers liniilor de câmp). Aceasta necesitate impune ca drena sa fie polarizata pozitiv fata de sursa.

Zona P din figura 2.19 se numeste substrat.

Grila este legata la electrodul substratului S_S ,asa încât sectiunea canalului  sa se modifice si prin intermediul acestei jonctiuni aflata în polarizare inversa.

         

În figura 2.20 este prezentat simbolul TEC-J cu canal N  precum si polaritatea tensiunilor care se aplica electrozilor pentru ca sa poata fi modificat curentul prin canal - curentul care se închide de la drena la sursa (electronii având sarcina negativa circula invers decât curentul pe care îl determina).

Sectiunea canalului se micsoreaza crescând tensiunea de polarizare inversa a jonctiunii grila - canal.

Tranzistorul TEC-MOS  are doua zone semiconductoare de acelasi fel (de tipul N pentru tranzistorul din figura 2.21) alocate una sursei si cealalta drenei, separate printr-un strat de tipul celalalt (în cazul nostru de tipul P). Orice  polaritate a tensiunii am aplica între drena si sursa una din jonctiunile P-N va fi blocata asa încât nu se va închide nici un curent fara aportul electrodului de comanda - respectiv grila tranzistorului.

Grila este în contact cu semiconductorul de tipul P, fiind separata de acesta printr-un izolator, care în cazul tranzistorului MOS este un strat de oxid de siliciu ca în figura 2.21.

În conditiile aplicarii unei tensiuni pe grila pozitiva în raport cu substratul, aceasta tensiune, prin câmpul electric orientat de al grila catre S_S împinge golurile majoritare din zona P si atrage la suprafata de separatie a metalului grilei electronii minoritari. În zona P, între cele doua zone N⁺ apare un strat de electroni minoritari care formeaza un strat de inversie a conductiei.

Cresterea potentialului grilei determina cresterea latimii stratului de inversie. Aplicând o diferenta de potential între drena si sursa electronii din stratul de inversie se vor deplasa pe calea N⁺ (sursa) - canal format din stratul de inversie - N⁺ (drena), determinând curentul "important" al tranzistorului.

Tranzistorul descris mai sus se numeste TEC-MOS cu canal n - indus.

 În figura 2.22 este prezentat simbolul tranzistorului "TEC-MOS cu canal N indus". Notatiile au semnificatiile:

         

Tensiunea de polarizare a grilei este V_GS pozitiva ca sa formeze canalul - materializat prin stratul de inversie - iar tensiunea V_DS este pozitiva ca sa antreneze electronii de la sursa catre drena - pentru ca în circuit sa se stabileasca curentul I_D orientat de la D spre S.

Nota:  Se construiesc tranzistori de tip MOS cu canal initial  pentru care, (datorita doparii zonei P) exista un strat de inversie a conductiei la suprafata semiconductorului fara aplicarea unui potential pe grila (la  V_GS =0 )   .

 

Caracteristici de transfer

Functia tranzistorului este sa modifice curentul care circula de la drena la sursa, curent notat I_D în figura 2.19, prin modificarea potentialului V_GS a grilei fata de sursa. Caracteristicile de transfer ilustreaza modul de variatie al curentului de iesire când se modifica tensiunea de comanda.

Se noteaza V_T tensiunea de taiere, care are semnificatii diferite în functie de tipul tranzistorului TEC:

-               în cazul TEC-MOS tensiunea V_T este tensiunea V_GS de la care începe sa circule curentul I_DS, (vezi caracteristica din figura 2.23,a) reprezentând potentialul grilei de la care s-a format stratul de inversie;

         -     în cazul TEC-J tensiunea V_T este tensiunea V_GS la care curentul I_DS se anuleaza, (vezi caracteristica din figura 2.23 ,b) reprezentând potentialul grilei pentru care zona de golire s-a extins în întreg canalul (purtatorii de sarcina provenind de la sursa întâlnesc în calea catre drena o zona de înalta rezistenta).

Principiile de modificare a curentului I _D, în cazul TEC-J prin modificarea tensiunii unei jonctiuni polarizate invers iar în cazul TEC-MOS  prin modificarea tensiunii aplicate unui condensator, determina valoarea foarte mica a curentului absorbit de electrodul de comanda (grila), rezultând un consum foarte mic de putere pentru comanda (specific acestui tip de tranzistor).

Caracteristici de iesire

Caracteristicile de iesire sunt familii de curbe care prezinta dependenta curentului de drena I_D de tensiunea aplicata canalului V_DS , pentru diferite valori ale potentialului aplicat grilei V_GS , ca în figura 2.24.

          Caracteristicile de iesire prezinta doua zone de functionare

-         o zona liniara, în care pentru o tensiune V_GS impusa, curentul de drena I_D creste la cresterea tensiunii aplicate canalului V_DS;

-         o zona de saturatie, în care pentru o tensiune V_GS impusa, curentul de drena I_D nu se modifica la cresterea tensiunii aplicate canalului V_DS.

În zona de saturatie curentul de drena nu se schimba prin modificarea V_DS ci numai prin modificarea potentialului grilei V_GS. Aceasta dependenta este exprimata astfel relatii în care apar

                                         pentru TEC-J ,

                            pentru TEC-MOS,

marimi dependente de tipul tranzistorului si de modul de realizare practica a acestuia, numite dupa cum urmeaza:

          I_DSS       - curentul de saturatie,

          β           - coeficient specific tranzistorului cu dimensiunea ,

          V_T         - tensiunea de taiere,

          m = 2    - coeficient teoretic are valoarea specificata.

Datele de catalog ale unui tranzistor dat specifica, pe lânga alte caracteristici, setul de parametri (V_T , I_DSS) pentru TEC-J si (V_T , β) pentru TEC-MOS.

          În zona liniara a caracteristicilor statice curentul de drena I_D , pentru o tensiune aplicata grilei constanta (V_GS = constant), se modifica liniar cu tensiunea V_DS, ceea ce înseamna ca dispozitivul între drena si sursa se comporta ca o rezistenta.

Pentru tranzistorul TEC-J zona liniara a caracteristicilor de iesire se afla la tensiuni mici aplicate canalului      , ca în figura 2.25.

Curentul de drena respecta relatia lege lui Ohm pentru rezistente

                             ,

unde G este conductanta canalului (drenei).

Conductanta drenei poate fi exprimata în functie de marimea care o determina - si anume  tensiunea V_GS - prin relatia

                            

unde G₀ este o data de catalog, specifica modului de realizare a tranzistorului TEC-J.

2.7. Polarizarea tranzistorului cu efect de câmp

 

          În figura 2.26 sunt prezentate schemele clasice de polarizare a tranzistorului cu efect de câmp în zona activa de functionare.

Structurile de polarizare, constatam ca sunt aceleasi indiferent de tipul tranzistorului fie bipolar, fie cu efect de câmp.

Condensatorul C_S în regim de curent alternativ decupleaza rezistorul R_S.

În cazul tranzistorului TEC-J, tensiunea de polarizare a grilei este negativa, motiv pentru care rezistorul R_S este obligatoriu prezent în schema.

Fig. 2.26.

         

Considerând curentul absorbit de grila neglijabil, pentru schema cu o singura rezistenta în circuitul grilei tensiunea de polarizare a grilei este

                             V_GS = - R_S I_D ,

iar pentru chema cu doua rezistente

.

Tensiunea aplicata canalului, pentru ambele scheme din figura 2.26 este

                             V_DS = V_DD - (R_S + R_D) I_D .

2.8. Circuite echivalente ale TEC

Circuitul echivalent de semnal mic al TEC la frecvente medii

 

Indiferent de tipul tranzistorului (TEC-J sau TEC-MOS), în regim variabil schema echivalenta se construieste plecând de la faptul ca numai tensiunile modifica valoarea curentului

                                      .

Variatia curentului de drena poate fi exprimata prin diferentierea functiei f

,

                                .

Relatia pe baza careia se construieste schema echivalenta (prezentata în figura 2.27).

         

Derivatele partiale se noteaza

            g_m - panta tranzistorului,

            g_d - conductanta drenei,

                   I_D - amplitudinea variatiei curentului de drena în jurul punctului static de functionare.

Valorile în care se încadreaza parametrii de regim variabil ai tranzistorilor cu efect de câmp sunt

                   g_m = 0,1 ... 10 mA/V;

                   r_d  =  0,1 ...   1 MΩ.

Schema echivalenta a TEC la înalta frecventa

         

Când frecventa tensiunii de intrare este mare încep sa conteze capacitatile dintre electrozi, motiv pentru care schema echivalenta de la frecvente medii se completeaza cu capacitatile C_GS, C_GD, C_DS ca în figura 2.28.

         

Exista între grila si drena o legatura (între iesire si intrare) motiv pentru care nu se utilizeaza aceasta schema echivalenta, ci se transforma, pe baza teoremei lui Miller, într-o alta schema echivalenta fara transfer de la iesire la intrare. În schema echivalenta nu mai apare , iar capacitatile la intrare si de la iesire devin functii de factorul de amplificare în tensiune de la frecvente medii.