Tranzistor sa efektom polja

Izvor: Wikipedia
N-kanalni tranzistor sa efektom polja velike snage

Tranzistor sa efektom polja (FET) je tranzistor koji koristi električno polje kako bi kontrolisao oblik i time električnu provodljivost kanala tranzistora jednog tipa nosioca naelektrisanja u poluprovodničkom materijalu. Fetovi su unipolarni tranzistori jer oni podrazumevaju funkcionisanje preko jednog tipa nosioca naelektrisanja. Koncept FET-a je preteča bipolarnim tranzistorima, iako je praktično implementiran nakon Bipolarnih tranzistora zbog ograničenja poluprovodničkih materijala i relativne jednostavnosti proizvodnje Bipolarnih tranzistora u odnosu na FET.

Istorija[uredi - уреди]

Glavni članak: Istorija tranzistora

Tranzistor sa efektom polja je prvo patentiran od strane Julije Edgar Lilinfilda 1926. i Oskar Hajla 1934. godine, ali praktični poluprovodnički uređaji (JFET) su proizvedeni dosta kasnije nakon što je efekat tranzistora posmatran i opisan od strane tima Vilijama Šoklija u Belovim laboratorijama 1947. godine. MOSFET, koji je uveliko istisnuo JFET i koji je imao mnogo značajniji efekat na razvoj elektronike , je izmišljen od strane Davon Kahnga i Martin Atale 1960. godine.[1]

Osnovni podaci[uredi - уреди]

FETovi mogu da budu uređaji za prenos većine naelektrisanja, kod kojih se struja prenosi mahom preko većine nocioca naelektrisanja, ili uređaji za prenos malo nosioca naelektrisanja, kod kojih je struja proizvod protoka nosioca malo naelektrisanja.[2] Uređaj se sastoji od aktivnog kanala kroz koji nosioci naelektrisanja, elektroni ili rupe, teku od sorca ka drejnu. Sors i drejn provodnici su povezani na poluprovodnik preko omskih kontakta. Provodljivost kanala je funkcija primenjenog potencijala između gejt i sors terminala.

Tri kontakta FETa su:[3]

  • Sors (S), kroz koga nosioci naelektrisanja ulaze u kanal. Po konvenciji, struja koja ulazi u S se označava sa IS.
  • Drejn (D), kroz koga nosioci naelektrisanja napuštaju kanal. Po konvenciji, struja koja napušta kanal kroz D se označava sa ID. Napon Drejn-Sors je VDS.
  • Gejt (G), kontakt koji moduliše provodljivost kanala. Primenom napona na G, može da se kontroliše ID.

Više o kontaktima FETa[uredi - уреди]

Presek N-kanalnog mosfeta

Svi FETovi imaju „sors“, „drejn“, i „gejt“ terminale koji grubo odgovaraju „emiteru“, „kolektoru“, i „bazi“ kod bipolarnog tranzistora. Većina FETova ima četvrti kontakt koji se zove „telo“, „baza“ ili „supstrat“. Ovaj četvrti kontakt služi za balansiranje tranzistora u radu; retkost je napraviti ne-trivijalno korišćenje četvrtog kontakta u dizajniranju električnih kola, ali njegovo prisustvo je značajno kada se razmatra fizički raspored integrisanog električnog kola. Veličina gejta, dužine L na slici, je razmak između sorsa i drejna. Širina je proširenje tranzistora, u smeru normalnom na presek sa slike. Tipično je širina mnogo veća od dužine gejta. Dužina gejta od 1 µm ograničava gornju frekvenciju na oko 5 GHz, a 0.2 µm na oko 30 GHz.

Imena kontakata se odnose na njihovu funkciju. Gejt (kapija) kontakt može da se razmatra kao kontrola zatvaranja i otvaranja fizičke kapije. Ova kapija dozvoljava prolaz elektronima ili zaustavlja njihov prolaz stvarajući ili uklanjajući prolaz između sorsa i drejna. Elektroni teku od sors kontakta do drejna ukoliko ako na gejt utiče napon. Telo FETa jednostavno označava glavnu celinu poluprovodnika na kome se nalaze gejt, sors i drejn. Uobičajeno se terminal tela povezuje na najveći ili najmanji napon u kolu, u zavisnosti od vrste FETa. Kontakt tela i sorsa su ponekad zajedno povezani jer je uobičajeno sors povezan na najveći ili najmanji napon u kolu, iako postoji nekoliko načina korišćenja FETova koji ne koriste takvu konfiguraciju, kao što se predajničke kapije ili kaskodna kola.

Rad FETa[uredi - уреди]

I–V karakteristika i izlazni grafik JFET N-kanalnog tranzistora.

FET kontroliše protok elektrona ili elektronskih rupa od sorsa do drejna utičući na veličinu i oblik „provodnog kanala“ koga stvara i na koga utiče napon (ili manjak napona) koji se nalazi između kontakata gejta i sorsa. (Radi jednostavnosti, ovo razmatranje predpostavlja da su telo i sors povezani.) Ovaj provodni kanal je „potok“ kroz koga elektroni teku od sorsa do drejna.

U N-kanalnom uređaju tipa „mod trošenja“ negativan gejt-sors napon izaziva oblast trošenja kako bi proširio i obuhvatio kanal sa strana, sužavajući ga. Ako se oblast trošenja proširi da potpuno obuhvati kanal, otpor kanala od sorsa do drejna postaje veliki, i FET se isključuje kao prekidač. Ove se zove „uštinuto gašenje“ i napon na kome se to dešava se zove „napon uštinutog gašenja“. Takođe, pozitivan gejt-sors napon povećava veličinu kanala i omogućava elektronima da lakše prolaze.

U N-kanalnom uređaju tipa „mod povećanja“, provodni kanal ne postoji prirodno unutar tranzistora, i pozitivni gejt-sors napon je neophodan kako bi se stvorio kanal. Pozitivan napon privlači slobodne šetajuće elektrone u telu prema gejtu, formirajući provodni kanal. Ali prvo, dovoljno elektrona mora da bude privučeno blizu gejta kako bi se izjednačilo sa dopiranim jonima dodatih u telo FETa; ovo formira oblast bez pokretnih prenosioca naelektrisanja koji se naziva oblast potrošnje, i napon na kome se ovo dešava se naziva kao prag napona FETa. Dalje povećavanje gejt-sors napona će privući još više elektrona prema gejtu koji mogu da formiraju provodni kanal od sorsa ka drejnu; ovaj proces se naziva inverzija.

U P-kanalnom uređaju tipa „mod trošenja“, pozitivan napon od gejta prema sorsu stvara sloj trošenja terajući pozitivno naelektrisane rupe dalje od gejt-izolator/poluprovodnik interfejsa, ostavljajući otvorenu oblast bez nosioca nalektrisanja negaativno naelektrisanim jonima.

Za uređaje u modu trošenja kao i za uređaje u modu povećanja, pri naponima drejn-sors koji su mnogo manji nego gejt-sors, promena napona gejta će promeniti otpornost kanala, i struja drejna će biti proporcionalna drejn naponu (koji ima za referencu napon sorsa). U ovom modu FET radi kao promenljivi otpornik i kaže se da FET radi u „linearnom režimu“ ili „omskom režimu“ rada.[4][5]

Ukoliko se poveća drejn-sors napon, ovo stvara značajnu asimetričnu promenu u obliku kanala zbog nagiba potencijala od sorsa ka drejnu. Oblik inverznog regiona postaje „uštinut“ blizu drejn kraja kanala. Ako se drejn-sors napon još poveća, tačka uštinutog dela kanala se pomera od drejna ka sorsu. Za FET se tada kaže da se nalazi u režimu saturacije;[6] although some authors refer to it as active mode, for a better analogy with bipolar transistor operating regions.[7][8] Režim saturacije, ili režim između omskog ponašanja i saturacije, se koristi kada je potrebno pojačanje. Deo između ova dva režima se ponekad smatra delom omskog ili linearnog režima, iako struja drejna nije približno jednaka naponu drejna.

Iako provodni kanal koji se stvara gejt-sors naponom ne povezuje više sors sa drejnom u modu saturacije, nosioci naelektrisanja nisu zaustavljeni i mogu da teku. Razmatrajući ponovo N-kanalni uređaj tipa mod povećanja, oblast trošenja postoji u telu P-tipa, okružujući provodni kanal i drejn sors oblasti. Elektroni koji sačinjavaju kanal su slobodni da izađu izvan kanala kroz oblast trošenja ukoliko su privučeni ka drejnu naponom drejn-sors. Oblast trošenja je slobodna od nosioca naelektrisanja i ima otpor sličan silicijumu. Bilo koje povećavanje drejn-sors napona će povećati razmak od drejna do tačke uštinuća, povećavajući otpor oblasti trošenja proporcionalno primenjenom drejn-sors naponu. Ova proporcionalna promena izaziva drejn-sors struju da ostane relativno nepromenjena, nezavisno od promena drejn-sors napona, poprilično suprotno omskom ponašanju u linearnom režimu rada. Zato u režimu saturacije, FET se ponaša kao izvor konstantne struje umesto kao otpornik, i može da se koristi kao pojačavač napona. U ovom slučaju , napon gejt-sors određuje nivo konstantne struje kroz kanal.

Sastav[uredi - уреди]

FET može da se napravi od različitih vrsta poluprovodnika, među kojima je najčešći silicijum. Većina FETova se pravi standardnim tehnikama proizvodnje poluprovodnika, koristeći vejfer monokristalnog silicijuma kao aktivnu oblast, ili kanal.

Među neobičnim materijalima tela FETa su amorfni silicijum, polikristalni silicijum ili drugi amorfni poluprovodnici u tranzistorima tankog filma ili organskim tranzistorima sa efektom polja (OFET) koji su bazirani na organskim poluprovodnicima; često su izolatori gejta OFET tranzistora i elektrode napravljeni takođe od organskih materijala. Takvi FETovi se proizvode koristeći različite materijale kao što su silicijum karbid (SiC) , galijum arsenid (GaAs), galijum nitrid (GaN), i indijum galijum arsenid (InGaAs).

Juna 2011. godine, IBM je objavio da je uspešno iskoristio grafen bazirani FET u integrisanom kolu.[9][10] These transistors are capable of about 2.23 GHz cutoff frequency, much higher than standard silicon FETs.[11]

Vrste tranzistora sa efektom polja[uredi - уреди]

FET tranzistori u modu trošenja pod uobičajenim naponima: JFET, poli-silicijumski MOSFET, MOSFET sa dva gejta, MOSFET sa metal gejtom, MESFET.
  Trošenje
  Elektroni
  Rupe
  Metal
  Izolator
Vrh: sors, dno: drejn, levo: gejt, desno: telo. Nisu prikazani naponi koji dovode do stvaranja kanala.

Kanal FETa je dopiran kako bi nastao N ili P tip poluprovodnika. Drejn i sors mogu biti dopirani suprotnim tipom prema kanalu, u slučaju FETova u modu trošenja, ili dopirani sličnim tipom prema kanalu u FETovima tipa mod povećanja. FET tranzistori se takođe razlikuju po tipu izolacije između kanala i gejta.

U tipove FETova spadaju:

  • JFET (spojni tranzistor sa efektom polja) koristi obrnuto polarisan p-n spoj kako bi odvojio gejt od tela.
  • MOSFET (metal-oksid-poluprovodnički tranzistor sa efektom polja) koristi izolator (najčešće SiO2) između gejta i tela.
  • DGMOSFET (MOSFET sa dva gejta) je FET sa dva izolovana gejta.
  • DEPFET je FET koji se pravi u potpuno ispražnjenom supstratu i ponaša se kao senzor, pojačalo i memorija u isto vreme. Može da se koristi kao senzor slike (fotona).
  • FREDFET (brzo-obrtni ili brzo-povratni epitaksijalno diodni FET) je specijalna vrsta FETa koja omogućava veoma brzo isključivanje diode tela.
  • HIGFET (heterostrukturni izolovani gejt tranzistor sa efektom polja) se danas koristi najčešće u istraživanjima.[12]
  • MODFET (modulisano-dopirani tranzistor sa efektom polja) koristi strukturu kvantni bunar koja se pravi postepenim dopiranjem aktivne oblasti.
  • TFET (tranzistor sa tunelskim efektom polja) je baziran na tunelovanju od jednog do drugog opsega frekvencija.[13]
  • IGBT (bipolarni tranzistor sa izolovanim-gejtom) je uređaj za kontrolu snage. Ima strukturu sličnu MOSFETu sa glavnim provodnim kanalom sličnim bipolanrim tranzistorima. Često se koriste za drejn-sors napone 200–3000 V. Snažni MOSFETi su i dalje uređaji koji se preporučuju za drejn-sors napone od 1 do 200V.
  • HEMT (tranzistor sa velikim kretanjem elektrona), nazvan HFET(heterostrukturno FET), može da se napravi korišćenjem poluporovodničkih materijala kao što jeAlGaAs. Potpuno ispražnjen materijal pravi izolaciju između gejta i tela.
  • ISFET (tranzistor sa efektom polja osetljiv na jone) može da se koristi pri merenju koncentracije jona u rastvoru; kada se koncentracija jona menja(kao u H+, pogledati pH elektroda), struja kroz tranzistor se takođe menja.
  • MESFET (metal-poluprovodnički tranzistor sa efektom polja) menja p-n spoj JFETa sa Šotki spojem; i koristi se u GaAs i drugim III-V poluprovodničkim materijalima.
  • NOMFET je nanočestični organsko memorijski tranzistor sa efektom polja. [14]
  • GNRFET (grafenski nanotračni tranzistor sa efektom polja) koristi grafenska nanotraka kao svoj kanal.
  • VeSFET (tranzistor sa efektom polja sa vertikalnim procepom) je FET bez spoja kvadratnog oblika sa uzanim procepom koji povezuje sors i drejn na suprotnim krajevima. Dva gejta se nalaze u druga dva ćoška i kontrolišu struju kroz procep. [15][16]
  • CNTFET (karbon nanocevni tranzistor sa efektom polja).
  • OFET (organski tranzistor sa efektom polja) koristi organski poluprovodnik za svoj kanal.
  • DNKFET (DNK tranzistor sa efektom polja) je specijalan FET koji se ponaša kao biosenzor, koristeći gejt koji je napravljen od DNK molekula kako bi detektovao odgovarajući DNK niz.

Prednosti FETa[uredi - уреди]

Glavna prednost FETa je velika ulazna otpornost, reda veličine 100 MΩ ili više. Zbog toga je on naponski kontrolisan uređaj i ima visoku vrednost izolacije između ulaza i izlaza. On je unipolarni uređaj, koji zavisi samo od protoka strujeŠablon:Dubious. FETovi najčešće proizvode strujni šum koji je manji od bipolarnih tranzistora (BJT) i zbog toga se ugrađuje u uređaje koji su osetljivi na šum kao što su tjuneri i pojačala sa malim šumom za VHF satelitske prijemnike. Relativno je otporan na radijaciju. Ne prikazuje ofset napon kada je struja drejna jednaka nuli i zbog toga je pogodan kao sekač signala. Često ima bolju temperaturnu stabilnost od bipolarnog tranzistora.[17][3]

Mane FETa[uredi - уреди]

Ima relativno mali proizvod pojačanja i opsega frekvencija u poređenju sa bipolarnim tranzistorima. MOSFET ima manu da je veoma osetljiv na prekomerni napon, zahtevajući posebnu pažnju prilikom ugrađivanja. [18] Krhki izolacioni sloj MOSFETa između gejta i kanala je osetljiv na elektrostatičko pražnjenje tokom rukovanja. Ovo uglavnom ne predstavlja problem nakon što se uređaj ugradi u dobro dizajnirano kolo.

Korišćenje FETova[uredi - уреди]

Najviše korišćeni FET je MOSFET. CMOS (komplementarni metal oksid poluprovodnik) procesna tehnologija je osnova modernih digitalnih integrisanih kola. Ova procesna tehnologija koristi raspored gde su (najčešće u modu povećanja) P-kanalni MOSFET i N-kanalni MOSFET povezani redno tako da kada je jedan uključen, drugi je isključen.

U FETu, elektroni mogu da putuju u bilo kom smeru kroz kanal kada rade u linearnom modu. Imenska konvencija drejn i sors kontakata je proizvoljna, jer se uglavnom tranzistori prave simetrično (ne uvek) od sorsa ka drejnu. Ovo čini FETove pogodnim za prekidanje analognih signala između električnih putanja (multipleksiranje). Pomoću ovog koncepta, moguće je npr. napraviti pult za miksovanje pomoću tranzistora.

Česta upotreba FETova je u ulozi pojačavača. Na primer, zbog velike ulazne otpornosti i male izlazne otpornosti, efektivni su kao bafer u konfiguracijama zajedničkog drejna.

IGBT imaju primenu u uključivanju kalemova visokog napona u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, gde su brzo uključivanje i blokiranje napona bitne karakteristike.

Vidi još[uredi - уреди]

Reference[uredi - уреди]

  1. Computer History Museum - The Silicon Engine | 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated
  2. Millman 1985, pp. 397-
  3. 3.0 3.1 Millman (1985). Electronic devices and circuits. Singapore: McGraw-Hill international book company. str. 384-385. ISBN 0-07-085505-6. 
  4. C Galup-Montoro & Schneider MC (2007). MOSFET modeling for circuit analysis and design. London/Singapore: World Scientific. str. 83. ISBN 981-256-810-7. 
  5. Malik 1995, pp. 315–316
  6. RR Spencer & Ghausi MS (2001). Microelectronic circuits. Upper Saddle River NJ: Pearson Education/Prentice-Hall. str. 102. ISBN 0-201-36183-3. 
  7. A. S. Sedra and K.C. Smith (2004). Microelectronic circuits (Fifth Edition izd.). New York: Oxford. str. 552. ISBN 0-19-514251-9. 
  8. PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer (2001). Analysis and design of analog integrated circuits (Fourth Edition izd.). New York: Wiley. str. §1.5.2, pp. 45. ISBN 0-471-32168-0. 
  9. http://www.physorg.com/news/2011-06-ibm-graphene-based-circuit.html
  10. Lin, Y.-M., Valdes-Garcia, A., Han, S.-J., Farmer, D. B., Sun, Y, Wu, Y, Dimitrakopoulos, C., Grill, A, Avouris, P, and Jenkins, K. A. (2011). "Wafer-Scale Graphene Integrated Circuit". Science 332: 1294–1297. doi:10.1126/science.1204428. 
  11. Flexible graphene transistor sets new records - physicsworld.com
  12. HIGFET and method - Motorola
  13. Ionescu, A. M.; Riel, H. (2011). "Tunnel field-effect transistors as energy-efficient electronic switches". Nature 479 (7373): 329–337. doi:10.1038/nature10679. PMID 2094693. 
  14. Organic transistor paves way for new generations of neuro-inspired computers - ScienceDaily
  15. Vertical Slit Integrated Circuits
  16. http://www.ece.cmu.edu/~cssi/research/manufacturing.html
  17. http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes/PDF/VIII-5-noise.pdf
  18. Allen Mottershead (2004). Electronic devices and circuits. New Delhi: Prentice-Hall of India. ISBN 81-203-0124-2. 

Literatura[uredi - уреди]

  • RR Spencer & Ghausi MS (2001). Microelectronic circuits. Upper Saddle River NJ: Pearson Education/Prentice-Hall. str. 102. ISBN 0-201-36183-3. 
  • A. S. Sedra and K.C. Smith (2004). Microelectronic circuits (Fifth Edition izd.). New York: Oxford. str. 552. ISBN 0-19-514251-9. 
  • PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer (2001). Analysis and design of analog integrated circuits (Fourth Edition izd.). New York: Wiley. str. §1.5.2, pp. 45. ISBN 0-471-32168-0. 
  • Lin, Y.-M., Valdes-Garcia, A., Han, S.-J., Farmer, D. B., Sun, Y, Wu, Y, Dimitrakopoulos, C., Grill, A, Avouris, P, and Jenkins, K. A. (2011). "Wafer-Scale Graphene Integrated Circuit". Science 332: 1294–1297. doi:10.1126/science.1204428. 
  • C Galup-Montoro & Schneider MC (2007). MOSFET modeling for circuit analysis and design. London/Singapore: World Scientific. str. 83. ISBN 981-256-810-7. 
  • Millman (1985). Electronic devices and circuits. Singapore: McGraw-Hill international book company. str. 384-385. ISBN 0-07-085505-6. 
  • Malik, Norbert R (1995). Electronic circuits: analysis, simulation, and design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. str. 315-316. ISBN 0-02-374910-5. 

Spoljašnje veze[uredi - уреди]