08. Tranzistorul cu efect de câmp (FET)

Acasă » Electronică analogică » 02 - Fizica dispozitivelor semiconductoare

Scurt istoric

Tranzistorul cu efect de câmp a fost propus de Julius Liliendfel în 1926 şi 1933 sub formă de patent. Shockley, Brattain şi Bardeen au investigat şi ei tranzistorul cu efect de câmp în 1947, dar dificultăţile întâmpinate în realizarea acestuia i-au dus în schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de câmp a lui Shockley a fost publicată în 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era suficient de bine dezvoltată, astfel că doar în anul 1960 s-a reuşit fabricarea unui dispozitiv funcţional de către John Atalla.

Definiţia tranzistorului cu efect de câmp

Un tranzistor cu efect de câmp (FET - field effect transistor), este un dispozitiv unipolar, ceea ce înseamnă că existenţa curentului depinde de un singur tip de purtători de sarcină. Dacă dispozitivul se bazează pe un material semiconductor de tip N, purtătorii de sarcină sunt electronii. Invers, pentru unul de tip P, purtătorii de sarcină sunt golurile.

Modul de funcţionare

La nivelul circuitului, funcţionarea tranzistorilor cu efect de câmp este simplă. O tensiune aplicată pe poartă, elementul de intrare, controlează rezistenţa unei regiuni unipolare dintre sursă şi drenă denumită canal; într-un dispozitiv de tip N, această regiune este reprezentată de un material semiconductor dopat de tip N^-, cu terminale la ambele capete. Sursa şi drena sunt terminale echivalente cu emitorul şi colectorul într-un tranzistor bipolar. Cu alte cuvinte, sursa este locul de plecare al purtătorilor de sarcină, iar drena este locul înspre care aceştia se deplasează. Poarta este echivalentă bazei tranzistorului bipolar, iar în cadrul unui dispozitiv de tip N, este reprezentată de o regiune de tip P⁺ (dopată puternic) prezentă pe ambele laturi şi în jurul canalului din centrul semiconductorului.

În figura de mai sus, este prezentat un tranzistor cu efect de câmp cu joncţiune (JFET). Poarta constituie o joncţiune, şi este polarizată invers pentru funcţionarea corectă a dispozitivului. Curentul dintre sursă şi drenă poate exista în ambele direcţii.

În figura alăturată este reprezentată zona de golire a joncţiunii porţii, datorită difuziei golurilor din regiunea de tip P (poartă) în regiunea de tip N (canal). Această difuzie duce la separarea purtătorilor de sarcină în zona joncţiunii şi o zonă de golire non-conductivă la joncţiune.

Grosimea zonei de golire poate fi crescută prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare inversă (figura de mai sus(b)). Acest lucru duce la creşterea rezistenţei canalului sursă-drenă prin îngustarea acestuia. Creşterea în continuare a tensiunii de polarizare inversă duce la creşterea zonei de golire, scăderea grosimii canalului şi creşterea rezistenţei acestuia (c). Peste un anumit nivel (d), tensiunea de polarizare inversă, V_GS va bloca curentul prin canal, rezistenţa acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, V_P este de câţiva volţi în majoritatea cazurilor. Pe scurt, rezistenţa canalului sursă-drenă poate fi controlat cu ajutorul valorii de polarizarea inversă a porţii.

Sursa şi drena sunt interschimbabile, ceea ce înseamnă că există posibilitatea deplasării electronilor în oricare dintre direcţii pentru o tensiune mică a bateriei drenei (0,6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi înlocuită cu o sursă de tensiune scăzută în curent alternativ.

Pentru valori mai mari ale tensiunii drenei, de ordinul zecilor de volţi pentru dispozitive mici, polaritatea alimentării este cea prezentată în figura alăturată (a). Atenţie, în unele cărţi de specialitate, poarta (P) mai este denumită şi grilă (G), sau cele două notaţii sunt folosite chiar concomitent. Am ales în această carte să rămânem la denumirea de poartă, iar aceasta este notată corespunzător pe desene cu P. În orice caz, cele două exprimări sunt echivalente.

Această sursă de tensiune a drenei, ce nu este prezentă în figurile precedente, distorsionează zona de golire, mărind-o înspre partea drenei. Aceasta este o reprezentare mult mai corectă o tensiunilor de curent continuu ale drenei, de la câţiva volţi la zeci de volţi. Pe măsură ce tensiunea drenă-sursă (U_DS) creşte, zona de golire dinspre drenă creşte spre această. Acest lucru duce şi la creşterea lungimii canalului, cu efecte asupra rezistenţei (creşte) acestuia. Totuşi, această creştere a rezistenţei datorată creşterii lungimii canalului este foarte mică în comparaţie cu rezistenţa datorată polarizării inverse a porţii. În figura de mai sus (b) este prezentat şi simbolul schematic al unui tranzistor cu efect de câmp cu canal de tip N. Săgeata porţii indică aceeaşi direcţie ca şi joncţiunea diodei, şi corespunde regiunii de tip P. Celelalte două extremităţi (S şi D), ce nu conţin nicio direcţie, corespund materialului semiconductor de tip N.

În figura de mai sus este reprezentată şi direcţia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre sursă (S), apoi spre drenă (D) şi înspre terminalul (+) al bateriei. Acest curent poate fi controlat prin variaţia tensiunii de polarizare inversă a porţii (P). O sarcină conectată în serie cu bateria „vede” o versiune amplificată a variaţiei tensiunii de pe poartă.

Tranzistorul cu efect de câmp cu canal de tip P

Tranzistoarele cu efect de câmp pot fi realizate şi cu canal de tip P, ceea ce înseamnă că poarta este realizată dintr-un material semiconductor dopat de tip N⁺ (dopat puternic). Toate sursele de tensiune sunt inversate într-un circuit cu JFET de tip P faţa de cel cu canal de tip N (figura alăturată (a)). Săgeata în acest caz este îndreptată dinspre poartă înspre sursa de polarizare inversă (figura alăturată (b)).

Modul de funcţionare este asemănător tranzistorului cu efect de câmp cu canal de tip N prezentat mai sus.

Confecţionarea tranzistoarelor cu efect de câmp

Dispozitivele discrete sunt confecţionate conform figurii alăturate (a), iar circuitele integrate cu tranzistoare cu efect de câmp, sunt confecţionate conform figurii alăturat€ (b). Poarta este dopată puternic, P⁺, pentru obţinerea unei zone de golire cât mai mari. Sursa şi drena acestui dispozitiv de tip N sunt şi ele dopate puternic, N⁺, pentru obţinerea unei rezistenţe de conexiune cât mai mici. Totuşi, canalul din jurul porţii este dopat uşor, N^-, pentru a permite trecerea golurilor dinspre poartă înspre canal.

Observaţie

Curăţenia este absolut necesară în cazul producerii tranzistorilor cu efect de câmp. Deşi este posibilă producerea tranzistorilor bipolari în afara unui spaţiu perfect curat, nu acelaşi lucru se poate spune şi despre cei cu efect de câmp. Tranzistorul cu efect de câmp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual decât cel bipolar, dar este foarte greu de produs.