From Wikipedia, the free encyclopedia
Tranzistor sa efektom polja (en. Field-effect transistor, skraćeno FET) je tip tranzistora koji koristi električno polje da kontroliše tok struje. FET tranzistori imaju tri izvoda: kapija (gate), izvor (source) i odvod (drain).[1] Dovođenjem napona na kapiju, menja se provodljivost između odvoda i izvora.[1]
Postoje dve vrste FET tranzistora: sa N kanalom i sa P kanalom.[1] Dve glavne podvrste FET tranzistora su: MOSFET i JFET.[1]
Fetovi su unipolarni tranzistori jer podrazumevaju funkcionisanje preko jednog tipa nosioca naelektrisanja. Koncept FET-a je preteča bipolarnim tranzistorima, iako je praktično implementiran nakon njih zbog ograničenja poluprovodničkih materijala i relativne jednostavnosti proizvodnje bipolarnih tranzistora u odnosu na FET.
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.[2]
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.[3] 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:[4]
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.
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.[5][6]
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;[7] although some authors refer to it as active mode, for a better analogy with bipolar transistor operating regions.[8][9] 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.
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.[10][11] These transistors are capable of about 2.23 GHz cutoff frequency, much higher than standard silicon FETs.[12]
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:
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 struje[nedostaje referenca]. 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.[4][18]
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. [19] 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.
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.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.