Tranzistoare unipolare

Tranzistoarele unipolare sau cu efect de camp sunt unele dintre cele mai importante

dispozitive semiconductoare active si componente ale circuitelor integrate. Functionarea

tranzistoarelor cu efect de camp, cunoscute si sub denumirea de tranzistoare cu purtatori

majoritari, se bazeaza pe deplasarea purtatorilor majoritari dintr-o anumita zona a

componentei, sub actiunea campului electric. Pentru aceste tranzistoare, sunt folosite

acronimele TU si FET (Field Effect Transistor) sau TEC (Transistor a Effet de Champ,

respectiv Tranzistor cu Efect de Camp).

Un tranzistor unipolar reprezinta o cale semiconductoare de curent, cu conductanta

comandata de un camp electric extern. Calea de curent, numita canal, este un semiconductor

omogen (de tip N sau de tip P). La capetele canalului, se afla doua regiuni semiconductoare,

de acelasi tip cu acela al canalului: regiunea sursei si regiunea drenei. Electrozii sudati la

aceste regiuni poarta acelasi nume, respectiv sursa (S ) si drena (D ). Curentul prin canal este

curentul de drena ( ID ). In functionare, tranzistoarele unipolare se comporta, intre drena si

sursa, fie ca un rezistor cu rezistenta comandata, fie ca o sursa comandata de curent. Controlul

celor doi parametri electrici (rezistenta si intensitate a curentului sursei) este efectuat prin

tensiunea aplicata portului de control, care cuprinde electrodul G de comanda, numit grila

sau poarta si sursa tranzistorului.

Majoritatea tranzistoarelor unipolare sunt realizate pe un substrat semiconductor din

siliciu. Dupa cum canalul este realizat in volumul sau la suprafata substratului semiconductor,

rezulta doua familii de tranzistoare unipolare si anume:

- tranzistoare unipolare cu grila jonctiune, cu acronimele JFET (Junction Field Effect

Transistor) sau TECJ,

- tranzistoare unipolare cu grila izolata, cu acronimele generale IGFET (Insulated Gate

Field Effect Transistor) sau MISFET (Metal-Isolator-Semiconductor Field Effect Transistor),

datorita structurii metal-izolator-semiconductor.

256

Materialul izolator folosit la fabricarea tranzistoarelor din cea de-a doua familie este bioxidul

de siliciu, ce se obtine direct in cursul procesului de fabricatie. Din acest motiv, pentru aceste

tranzistoare, se utilizeaza acronimele MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect

Transistor) si TECMOS sau denumirea de tranzistoare MOS.

Indiferent de familie, semiconductorul canalului si acela al substratului sunt de tip opus.

In pofida diferentelor constructive dintre tranzistoarele unipolare apartinand celor doua

familii, exista o mare asemanare intre comportarea si caracteristicile functionale ale acestora.

In acest capitol, vor fi prezentate numai tranzistoarele unipolare de putere mica. Aceste

dispozitive au structura unicelulara, canal lung si electrozi coplanari. Datorita valorii mari a

raportului dintre latimea w (de circa 1mm) si lungimea L ('10mm) a canalului, aceste

tranzistoare sunt denumite si tranzistoare late (w / L>>1).

4. 1. Efectul de camp

Daca jonctiunile din structura unui tranzistor unipolar sunt polarizate invers, atunci

curentul prin canalul unui tranzistor unipolar (curentul de drena) este un curent de camp.

Dominanta curentului de drena este componenta datorata fluxului purtatorilor majoritari din

canal. In aceste conditii, intensitatea curentului de drena depinde de aria sectiunii transversale

a canalului (Ac ) si de densitatea de sarcina din canal, de viteza de deplasare in camp electric

a purtatorilor majoritari din canal, conform relatiei

ID = Ac x e x cM x vd (E) = (aef x w)x e x cM xm(E)x E (4.1.1)

In expresia curentului de drena, au fost folosite notatiile generale pentru concentratia

purtatorilor majoritari din canal ( cM ) si mobilitatea acestora (m). Relatia (4.1.1) evidentiaza

marimile ce pot fi controlate prin camp electric si previzioneaza comportarea tranzistorului.

Controlul asupra intensitatii curentului de drena poate fi exercitat prin intermediul grosimii

efective a canalului ( aef ) si al concentratiei purtatorilor majoritari din canal ( cM ). linand

seama de modalitatile de control pentru curentul de drena si de structurile tranzistoarelor

unipolare, efectul de camp poate fi descris, lapidar, dupa cum urmeaza.

Efectul de camp consta in controlul curentului de drena al tranzistorului, prin campul

electric aplicat regiunilor de trecere ale jonctiunilor unui tranzistor cu grila jonctiune sau

structurii MOS a unui tranzistor cu grila izolata. La un tranzistor cu grila jonctiune, curentul

de drena este controlat prin grosimea efectiva a canalului, in timp ce la tranzistoarele MOS

sunt folosite ambele parghii de control (grosimea efectiva a canalului si concentratia

purtatorilor majoritari din canal).

257

Dependenta vitezei de deplasare a purtatorilor majoritari din canal, de intensitatea

campului electric aplicat, reprezinta, la alta scara, dependenta curentului de drena, de

tensiunea drena-sursa aplicata (fig. 4.1):

- la tensiuni drena-sursa mici (camp electric slab), viteza de deplasare a purtatorilor creste

liniar cu intensitatea campului electric (mobilitatea purtatorilor este o constanta, cu valoare

mare) si curentul de drena creste liniar cu tensiunea drena-sursa aplicata;

- la tensiuni drena-sursa mari (camp electric intens), viteza de deplasare a purtatorilor se

satureaza (mobilitatea purtatorilor este functie de intensitatea campului electric si scade odata

cu cresterea intensitatii acestuia) si curentul de drena se satureaza, devenind independent de

tensiunea drena-sursa aplicata (la siliciu, E* = 30kV/ cm).

Fig. 4.1. Corespondenta intre dependentele vd = f (E) si ID = f (UDS )

Caracteristica ID = f (UDS ) reprezinta caracteristica curent-tensiune a canalului

tranzistorului, pentru o tensiune grila-sursa constanta.

4. 1. 1. Tranzistoare unipolare cu grila jonctiune

In esenta, canalul unui tranzistor unipolar cu grila jonctiune este un rezistor

semiconductor, cu rezistenta controlata prin tensiunea aplicata celor doua jonctiuni PN din

structura. In fig. 4.1.1a, este prezentata o sectiune transversala prin structura unui JFET cu

canal N, in constructie planar-epitaxiala. Pe un suport semiconductor puternic dopat de tip P+,

numit substrat sau baza, se obtin, succesiv, regiunea canalului de tip N si regiunea grilei de

tip P+, prin crestere epitaxiala. La un JFET cu canal P, substratul si regiunea grilei sunt

semiconductoare de tip N+ (fig. 4.1.1b). Electrodul corespunzator contactului ohmic, sudat la

regiunea grilei, reprezinta grila sau poarta tranzistorului (G ). Contactele ohmice ale sursei