Tranzistorul cu efect de camp (FET)

Tranzistorul cu efect de camp (FET)

Scurt istoric

Tranzistorul cu efect de camp a fost propus de Julius Liliendfel in 1926 si 1933 sub forma de patent. Shockley, Brattain si Bardeen au investigat si ei tranzistorul cu efect de camp in 1947, dar dificultatile intampinate in realizarea acestuia i-au dus in schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de camp a lui Shockley a fost publicata in 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era suficient de bine dezvoltata, astfel ca doar in anul 1960 s-a reusit fabricarea unui dispozitiv functional de catre John Atalla.

Definitia tranzistorului cu efect de camp

Un tranzistor cu efect de camp (FET - field effect transistor), este un dispozitiv unipolar, ceea ce inseamna ca existenta curentului depinde de un singur tip de purtatori de sarcina. Daca dispozitivul se bazeaza pe un material semiconductor de tip N, purtatorii de sarcina sunt electronii. Invers, pentru unul de tip P, purtatorii de sarcina sunt golurile.

Modul de functionare

La nivelul circuitului, functionarea tranzistorilor cu efect de camp este simpla. O tensiune aplicata pe poarta, elementul de intrare, controleaza rezistenta unei regiuni unipolare dintre sursa si drena denumita canal; intr-un dispozitiv de tip N, aceasta regiune este reprezentata de un material semiconductor dopat de tip N^-, cu terminale la ambele capete. Sursa si drena sunt terminale echivalente cu emitorul si colectorul intr-un tranzistor bipolar. Cu alte cuvinte, sursa este locul de plecare al purtatorilor de sarcina, iar drena este locul inspre care acestia se deplaseaza. Poarta este echivalenta bazei tranzistorului bipolar, iar in cadrul unui dispozitiv de tip N, este reprezentata de o regiune de tip P⁺ (dopata puternic) prezenta pe ambele laturi si in jurul canalului din centrul semiconductorului.

In figura de mai sus, este prezentat un tranzistor cu efect de camp cu jonctiune (JFET). Poarta constituie o jonctiune, si este polarizata invers pentru functionarea corecta a dispozitivului. Curentul dintre sursa si drena poate exista in ambele directii.

In figura alaturata este reprezentata zona de golire a jonctiunii portii, datorita difuziei golurilor din regiunea de tip P (poarta) in regiunea de tip N (canal). Aceasta difuzie duce la separarea purtatorilor de sarcina in zona jonctiunii si o zona de golire non-conductiva la jonctiune.

Grosimea zonei de golire poate fi crescuta prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare inversa (figura de mai sus(b)). Acest lucru duce la cresterea rezistentei canalului sursa-drena prin ingustarea acestuia. Cresterea in continuare a tensiunii de polarizare inversa duce la cresterea zonei de golire, scaderea grosimii canalului si cresterea rezistentei acestuia (c). Peste un anumit nivel (d), tensiunea de polarizare inversa, V_GS va bloca curentul prin canal, rezistenta acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, V_P este de cativa volti in majoritatea cazurilor. Pe scurt, rezistenta canalului sursa-drena poate fi controlat cu ajutorul valorii de polarizarea inversa a portii.

Sursa si drena sunt interschimbabile, ceea ce inseamna ca exista posibilitatea deplasarii electronilor in oricare dintre directii pentru o tensiune mica a bateriei drenei (0,6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi inlocuita cu o sursa de tensiune scazuta in curent alternativ.

Pentru valori mai mari ale tensiunii drenei, de ordinul zecilor de volti pentru dispozitive mici, polaritatea alimentarii este cea prezentata in figura alaturata (a). Atentie, in unele carti de specialitate, poarta (P) mai este denumita si grila (G), sau cele doua notatii sunt folosite chiar concomitent. Am ales in aceasta carte sa ramanem la denumirea de poarta, iar aceasta este notata corespunzator pe desene cu P. In orice caz, cele doua exprimari sunt echivalente.

Aceasta sursa de tensiune a drenei, ce nu este prezenta in figurile precedente, distorsioneaza zona de golire, marind-o inspre partea drenei. Aceasta este o reprezentare mult mai corecta o tensiunilor de curent continuu ale drenei, de la cativa volti la zeci de volti. Pe masura ce tensiunea drena-sursa (U_DS) creste, zona de golire dinspre drena creste spre aceasta. Acest lucru duce si la cresterea lungimii canalului, cu efecte asupra rezistentei (creste) acestuia. Totusi, aceasta crestere a rezistentei datorata cresterii lungimii canalului este foarte mica in comparatie cu rezistenta datorata polarizarii inverse a portii. In figura de mai sus (b) este prezentat si simbolul schematic al unui tranzistor cu efect de camp cu canal de tip N. Sageata portii indica aceeasi directie ca si jonctiunea diodei, si corespunde regiunii de tip P. Celelalte doua extremitati (S si D), ce nu contin nicio directie, corespund materialului semiconductor de tip N.

In figura de mai sus este reprezentata si directia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre sursa (S), apoi spre drena (D) si inspre terminalul (+) al bateriei. Acest curent poate fi controlat prin variatia tensiunii de polarizare inversa a portii (P). O sarcina conectata in serie cu bateria „vede” o versiune amplificata a variatiei tensiunii de pe poarta.

Tranzistorul cu efect de camp cu canal de tip P

Tranzistoarele cu efect de camp pot fi realizate si cu canal de tip P, ceea ce inseamna ca poarta este realizata dintr-un material semiconductor dopat de tip N⁺ (dopat puternic). Toate sursele de tensiune sunt inversate intr-un circuit cu JFET de tip P fata de cel cu canal de tip N (figura alaturata (a)). Sageata in acest caz este indreptata dinspre poarta inspre sursa de polarizare inversa (figura alaturata (b)).

Modul de functionare este asemanator tranzistorului cu efect de camp cu canal de tip N prezentat mai sus.

Confectionarea tranzistoarelor cu efect de camp

Dispozitivele discrete sunt confectionate conform figurii alaturate (a), iar circuitele integrate cu tranzistoare cu efect de camp, sunt confectionate conform figurii alaturat€ (b). Poarta este dopata puternic, P⁺, pentru obtinerea unei zone de golire cat mai mari. Sursa si drena acestui dispozitiv de tip N sunt si ele dopate puternic, N⁺, pentru obtinerea unei rezistente de conexiune cat mai mici. Totusi, canalul din jurul portii este dopat usor, N^-, pentru a permite trecerea golurilor dinspre poarta inspre canal.

Observatie

Curatenia este absolut necesara in cazul producerii tranzistorilor cu efect de camp. Desi este posibila producerea tranzistorilor bipolari in afara unui spatiu perfect curat, nu acelasi lucru se poate spune si despre cei cu efect de camp. Tranzistorul cu efect de camp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual decat cel bipolar, dar este foarte greu de produs.