ΚΔΦΑΛΑΗΟ 6

ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ ΔΓΚΑΡΗΟΤ ΠΔΓΗΟΤ - FET, MOSFET

6.1 Δηζαγωγή

Τν ηξαλδίζηνξ εγθαξζίνπ πεδίνπ είλαη έλα ζηνηρείν από εκηαγσγό ηνπ νπνίνπ ε ιεηηνπξγία εμαξηάηαη

από ηνλ έιεγρν ηνπ ξεύκαηνο κέζσ ελόο ειεθηξηθνύ πεδίνπ. Υπάξρνπλ δύν ηύπνη ηξαλδίζηνξ

εγθαξζίνπ πεδίνπ, ην ηξαλδίζηνξ εγθαξζίνπ πεδίνπ ελώζεσο (JFET ή απιά FET) θαη ην ηξαλδίζηνξ

κεηάιινπ - νμεηδίνπ - εκηαγσγνύ (MOS ή MOSFET).

Τν ηξαλδίζηνξ εγθαξζίνπ πεδίνπ δηαθέξεη από ην δηπνιηθό ζηα παξαθάησ ζεκαληηθά ραξαθηεξηζηηθά:

α) Η ιεηηνπξγία ηνπ εμαξηάηαη κόλν από ηε ξνή ησλ θνξέσλ πιεηνλόηεηαο. Δίλαη, δειαδή, κνλνπνιηθό

ζηνηρείν.

β) Η θαηαζθεπή ηνπ είλαη πην εύθνιε θαη ζε νινθιεξσκέλε κνξθή θαηαιακβάλεη κηθξόηεξε

επηθάλεηα.

γ) Έρεη πςειή αληίζηαζε εηζόδνπ - ζπλήζσο, πνιιά εθαηνκκύξηα Ω.

δ) Δίλαη ιηγόηεξν ζνξπβώδεο από ην δηπνιηθό.

ε) Κύξην κεηνλέθηεκα ηνπ FET είλαη ην ζρεηηθά κηθξό γηλόκελν θέξδνπο - εύξνπο δώλεο ζε ζύγθξηζε

κε ην αληίζηνηρν ησλ δηπνιηθώλ.

6.2. Σξαλδίζηνξ Δγθαξζίνπ Πεδίνπ Δλώζεωο FET

Η δνκή θαη νη ηάζεηο ηξνθνδνζίαο ηνπ ηξαλδίζηνξ FET, δηαύινπ ηύπνπ n, θαίλεηαη ζην ζρήκα 6.1. Τν

ξεύκα - όπσο αλαθέξζεθε πξνεγνπκέλσο - απνηειείηαη από θνξείο πιεηνλόηεηαο νη νπνίνη ζε απηήλ

ηελ πεξίπησζε είλαη ειεθηξόληα.

ρήκα 6.1α. Σύκβνιν ρήκα 6.1β. Βαζηθή θαηαζθεπή FET

ρήκα 6.1γ. Απινπνηεκέλε παξάζηαζε ηνπ FET ρήκα 6.1δ. Κύθισκα θαη ηάζεηο ηξνθνδνζίαο

ελόο FET δηαύινπ ηύπνπ n.

Γηα ηα FET έρεη θαζηεξσζεί ν αθόινπζνο ζπκβνιηζκόο :

Πεγή : Η πεγή S είλαη ν αθξνδέθηεο κέζσ ηνπ νπνίνπ νη θνξείο πιεηνλόηεηαο εηζέξρνληαη ζηνλ

εκηαγσγό.

Τπνδνρή : Η ππνδνρή D είλαη ν αθξνδέθηεο κέζσ ηνπ νπνίνπ νη θνξείο πιεηνλόηεηαο απνρσξνύλ από

ηνλ εκηαγσγό.

Πύιε : Καη ζηηο δπν πιεπξέο ηεο ξάβδνπ εκηαγσγνύ ηύπνπ n έρνπλ ζρεκαηηζζεί πεξηνρέο πςειήο

λόζεπζεο (p+) από άηνκα απνδεθηώλ.

Οη πεξηνρέο απηέο λόζεπζεο νλνκάδνληαη πύιε G. Μεηαμύ ηεο πύιεο θαη ηεο πεγήο εθαξκόδεηαη ηάζε

VGS = -VGG , ώζηε ε πόισζε ηεο έλσζεο p-n λα είλαη αλάζηξνθε.

Γίαπινο : Δίλαη ε πεξηνρή ηύπνπ n κεηαμύ ησλ δπν ππιώλ, ζηελ νπνία θηλνύληαη νη θνξείο

πιεηνλόηεηαο από ηελ πεγή πξνο ηελ ππνδνρή (Σρήκαηα 6.1β θαη 6.1γ).

6.3. Λεηηνπξγία - Υαξαθηεξηζηηθέο ηνπ FET

Τν θύθισκα θαη νη ηάζεηο ηξνθνδνζίαο ελόο FET δηαύινπ ηύπνπ n θαίλνληαη ζην ζρήκα 6.1δ. Η θνξά

ηνπ βέινπο ζηελ πύιε ηνπ FET, δειώλεη ηε θνξά θαηά ηελ νπνία ζα έξξεε ην ξεύκα , αλ ε πόισζε ηεο

έλσζεο ηεο πύιεο ήηαλ νξζή.

εκείωζε : Γηα έλα FET ηύπνπ p αληηζηξέθεηαη ε θνξά ηνπ βέινπο ζηελ έλσζε ηεο πύιεο. Τα ID θαη

VDS είλαη αξλεηηθά , ελώ ε VGS είλαη ζεηηθή ηάζε.

Τν ξεύκα από ηελ πεγή πξνο ηελ ππνδνρή, γηα κηα δεδνκέλε ηάζε uDS, εμαξηάηαη από ηηο δηαζηάζεηο

ηνπ δηαύινπ. Η εθαξκνγή ηεο αξλεηηθήο πνιηθόηεηαο ηεο ηάζεο VGS ζηελ πύιε G, θάλεη ηελ έλσζε p-n

λα είλαη πνισκέλε αλάζηξνθα. Η πεξηνρή ησλ αθάιππησλ θνξηίσλ απμάλεηαη θαζώο απμάλεηαη ε

αλάζηξνθε ηάζε ηεο έλσζεο p-n κε έλα κεραληζκό πνπ εμεγήζεθε ζηε ιεηηνπξγία ηεο δηόδνπ ελώζεσο

p-n. Έηζη, ε αλάζηξνθε εθαξκνδόκελε ηάζε ζηελ πύιε δηακνξθώλεη ην εύξνο ηνπ δηαύινπ. Η πεξηνρή

ησλ αθάιππησλ θνξηίσλ είλαη αζύκκεηξε , δηόηη ε αλάζηξνθε πόισζε από ηελ πιεπξά ηεο ππνδνρήο

είλαη κεγαιύηεξε απ΄ό,ηη ζηελ πιεπξά ηεο πεγήο (δεο θαη ην ζρήκα 6.1γ).

Οη ραξαθηεξηζηηθέο ξεύκαηνο ππνδνρήο γηα δηάηαμε θνηλήο - πεγήο γηα έλα FET ηύπνπ n δίλνληαη ζην

ζρήκα 6.2. Σε απηέο ηηο ραξαθηεξηζηηθέο δίλεηαη ην ID ζπλαξηήζεη ηεο VDS θαη κε ηελ VGS ζαλ

παξάκεηξν.

VDS

ΙD( m A )

5

2

VGS=0

-1

-2

-3

-4

10 15 20 25 30

4

6

8

ρήκα 6.2α. Φαξαθηεξηζηηθέο FETγηα

κηθξέο ηάζεηο VDS

ρήκα 6.2β. Καλνληθέο ηάζεηο VDS

Παξαηεξνύκε όηη γηα αζζελή ζήκαηα VDS ε ξάβδνο ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ κηα απιή αληίζηαζε θαη ην

ξεύκα ID απμάλεη γξακκηθά κε ηελ VDS. Καζώο ην ξεύκα απμάλεηαη, ε πηώζε ηάζεο πάλσ ζηελ

αληίζηαζε ηνπ δηαύινπ αλαζηξέθεη ηελ πόισζε ηεο έλσζεο θαη έηζη, ην αγώγηκν ηκήκα ηνπ δηαύινπ

κεηώλεηαη, ελώ νη πεξηνρέο ησλ αθάιππησλ θνξηίσλ πιεζηάδνπλ κεηαμύ ηνπο. Σην ζεκείν απηό ην ID

αιιάδεη θιίζε, ελώ πεξαηηέξσ αύμεζε ηεο VDS κεηώλεη αθόκε ην εύξνο ηνπ δηαύινπ θαη ην ID παίξλεη

ζρεδόλ ζηαζεξή ηηκή. Η ηηκή ηεο ηάζεο VDS γηα ηελ νπνία ην ID αιιάδεη θιίζε, ιέγεηαη ηάζε θξαγήο

θαη ζπκβνιίδεηαη κε ην ζύκβνιν VP. Από ην ζρήκα 6.2β γηα VGS =0 ε ηάζε θξαγήο είλαη VP 5V. Η

θαλνληθή ιεηηνπξγία ηνπ FET γίλεηαη γηα ηηο ηάζεηο VDS πνπ πεξηιακβάλνληαη ζην δηάζηεκα ηεο ηάζεο

θξαγήο VP κέρξη ηελ πεξηνρή δηάζπαζεο - πεξίπνπ 25 V γηα ηηο ραξαθηεξηζηηθέο ηνπ ζρήκαηνο 6.2β. Η

πεξηνρή απηή νλνκάδεηαη πεξηνρή ζηαζεξνύ ξεύκαηνο ή πεξηνρή ξεύκαηνο θόξνπ. Τν ξεύκα θόξνπ ηεο

ππνδνρήο παξηζηάλεηαη κε ην ζύκβνιν IDS , ελώ όηαλ ε πύιε είλαη βξαρπθπθισκέλε (δειαδή όηαλ VGS

=0) ην ξεύκα παξηζηάλεηαη κε ην ζύκβνιν IDSS. Έρεη βξεζεί όηη ε ραξαθηεξηζηηθή κεηαθνξάο πνπ

εθθξάδεη ηε ζρέζε κεηαμύ ηνπ IDS θαη VGS δίλεηαη από ηελ παξαβνιή (6.1) θαη ε γξαθηθή ηεο

παξάζηαζε θαίλεηαη ζην ζρήκα 6.3.

IDS = IDSS(1- VGS / VP )2 (6.1)

VGS

ID

IDS

Vp 0

ρήκα 6.3.

6.4. Σν FET Μεηάιινπ - Ομεηδίνπ - Ζκηαγωγνύ (MOSFET).

Μεγάιε εκπνξηθή ζπνπδαηόηεηα παξνπζηάδεη ην MOSFET δηαύινπ ηύπνπ p, ή MOSFET ππθλώζεσο

(enhancement type). Απηό απνηειείηαη από έλα ππόζηξσκα ρακειήο λόζεπζεο ηύπνπ n, κέζα ζην

νπνίν δηαρένληαη δπν πεξηνρέο πςειήο λόζεπζεο ηύπνπ p+. Τα ηκήκαηα απηά p+ ζα ιεηηνπξγήζνπλ ζαλ

πεγή θαη ππνδνρή. Έλα ιεπηό ζηξώκα κνλσηηθνύ δηνμεηδίνπ ηνπ ππξηηίνπ (SiO2), αλαπηύζζεηαη ζηελ

επηθάλεηα ηεο θαηαζθεπήο θαη, ηέινο, ζρεκαηίδνληαη θαη νη δηάθνξεο κεηαιιηθέο επαθέο. Απηόο είλαη ν

έλαο από ηνπο δπν ηύπνπο MOSFET, νη νπνίνη πεξηγξάθνληαη αλαιπηηθόηεξα παξαθάησ.

6.4.1. MOSFET ππθλώζεωο ή δηαύινπ ηύπνπ p (enhancement type).

Τν ζύκβνιν, ε δνκή θαηαζθεπήο θαη νη ραξαθηεξηζηηθέο ηνπ θαίλνληαη ζηα ζρήκαηα 6.4α - 6.4γ.

ρήκα 6.4α. ρήκα 6.4β.

VDS

ID mA

VGS=-10V

0

-8V

-6V

-4V

ρήκα 6.4γΦαξαθηεξηζηηθέο

Σην εκηαγώγηκν απηό ζηνηρείν, δεκηνπξγείηαη έλαο αγώγηκνο δίαπινο από θνξηία πνπ επάγνληαη από ην

ειεθηξηθό πεδίν πνπ έρεη δεκηνπξγεζεί ιόγσ ηεο εθαξκνγήο ηάζεο κεηαμύ πύιεο θαη ππνζηξώκαηνο.

Φσξίο λα εθαξκνζζεί ηάζε ζηελ πύιε, πνιύ ιίγν ξεύκα ξέεη κέζσ ησλ δπν επαθώλ p-n θαη n-p. Με

κηα κηθξή αξλεηηθή ηάζε ζηελ πύιε, ηα ειεθηξόληα ηεο πεξηνρήο n πνπ είλαη δίπια ζην ειεθηξόδην ηεο

πύιεο απσζνύληαη θαη έηζη δεκηνπξγείηαη κηα πξηνρή θνξηίνπ ρώξνπ. Καζώο απμάλεηαη ε αξλεηηθή

απηή ηάζε, ζρεκαηίδεηαη έλα ζηξώκα αλαζηξνθήο απνηεινύκελν από επθίλεηεο νπέο. Απηό ην ζηξώκα

ζρεκαηίδεηαη θνληά ζηελ επηθάλεηα ηνπ ηύπνπ n εκηαγσγνύ , ν νπνίνο γίλεηαη ηώξα ηύπνπ p

(πύθλσζε). Η αγσγηκόηεηα ζηελ πεξηνρή απηή έρεη απμεζεί, ην ηξαλδίζηνξ άγεη θαη ξεύκα ξέεη κεηαμύ

πεγήο θαη ππνδνρήο. Τν ξεύκα απηό δελ είλαη αλάινγν ηεο ηάζεο VDS. Καζώο ε VDS γίλεηαη

πεξηζζόηεξν αξλεηηθή, ε ηάζε κεηαμύ πύιεο θαη δηαύινπ όπσο θαη ην ειεθηξηθό πεδίν ειαηηώλνληαη.

Έηζη ηώξα, ην ξεύκα απνθηά ζρεδόλ ζηαζεξή ηηκή.

Η ραξαθηεξηζηηθή κεηαθνξάο δίλεηαη από ηε ζρέζε (6.2) θαη ε γξαθηθή ηεο παξάζηαζε ζην ζρήκα 6.5.

IDS = K(VGS -VT)2 (6.2)

όπνπ Κ είλαη κηα ζηαζεξά θαη VT είλαη ε ηάζε θξαγήο.

VGS

I

-VT -VGS(ON)

IDS(ON)

ρήκα 6.5.

6.4.2. MOSFET αξαηώζεωο ή δηαύινπ ηύπνπ n (depletion type).

Σηνλ ηύπν απηό ηνπ ηξαλδίζηνξ, δηαρέεηαη ζηελ πεξηνρή ηνπ δηαύινπ έλα ζηξώκα από πξνζκίμεηο ηνπ

ηδίνπ ηύπνπ (n) κε απηέο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηε δηάρπζε πεγήο θαη ππνδνρήο. Οη πξνζκίμεηο

απηέο είλαη ρακειήο λόζεπζεο. Ο ζπκβνιηζκόο, ε θαηαζθεπαζηηθή δνκή θαη νη ραξαθηεξηζηηθέο

θαίλνληαη ζηα ζρήκαηα 6.6α - 6.6δ.

ρήκα 6.6α ρήκα 6.6β

VDS

ID mA

0

-1V

-2V

-3V

0V

+1V

+2V

VGS

ID

-VGS(OFF)

IDSS

Πύκνωζη

Ααίωζη

ρήκα 6.6γ : Φαξαθηεξηζηηθέο ρήκα 6.6δ : i - u ραξαθηεξηζηηθέο κεηαθνξάο

Όηαλ VGS = 0 , ε ππνδνρή δηαξξέεηαη από έλα αμηνζεκείσην ξεύκα. Αλ ε ηάζε πύιεο πάξεη αξλεηηθέο

ηηκέο, επάγνληαη ζεηηθά θνξηία ζην δίαπιν κέζσ ηνπ SiO2. Καζώο ην ξεύκα πνπ επάγεηαη ζε έλα FET

νθείιεηαη ζηνπο θνξείο πιεηλόηεηαο (ειεθηξόληα γηα πιηθό ηύπνπ n), ηα ζεηηθά εμ επαγσγήο θνξηία

θαζηζηνύλ ην δίαπιν ιηγόηεξν αγώγηκν (αξαίσζε) θαη ην ξεύκα ππνδνρήο κεηώλεηαη , θαζώο ε VGS

ιακβάλεη αξλεηηθόηεξεο ηηκέο. Τώξα, εάλ ε VGS ιάβεη ζεηηθέο ηηκέο, έρνπκε αύμεζε ηεο αγσγηκόηεηαο

(πύθλσζε) θαη ην ξεύκα ππνδνρήο ID απμάλεηαη. Οη ραξαθηεξηζηηθέο θακπύιεο ηνπ

MOSFETαξαηώζεσο κνηάδνπλ κε απηέο ελόο JFET, κε ηελ επηπξόζζεηε δπλαηόηεηα επηβνιήο

αξλεηηθήο ή ζεηηθήο ηάζεο ζύξαο - πεγήο πνπ πξνθαιεί, αληίζηνηρα, αξαίσζε ή πύθλσζε, ελώ ην ID

κεηώλεηαη ή απμάλεηαη.

6.4.3. πκπιεξωκαηηθό MOS (CMOS)

Μπνξνύκε λα ειαηηώζνπκε ηελ θαηαλάισζε ηζρύνο ζε πνιύ ρακειά επίπεδα (-50 nW),

ρξεζηκνπνηώληαο ζπκπιεξσκαηηθά MOS ππθλώζεσο, δηαύινπ ηύπνπ p ή n ζην ίδην πιαθίδην. Έλα

ηέηνην θύθισκα κε CMOS θαίλεηαη ζην ζρήκα 6.7. Τα δπν απηά ηξαλδίζηνξ είλαη ζπλδεδεκέλα ζε

ζεηξά, νη ππνδνρέο θαη νη πύιεο είλαη ζπλδεδεκέλεο κεηαμύ ηνπο, ην δε θύθισκα ιεηηνπξγεί ζαλ πύιε

αληηζηξνθήο.

ρήκα 6.7.

6.5. Λεηηνπξγία J-FET

6.5.1 Πεξηνρέο Λεηηνπξγίαο ηωλ J-FET

Τν θύθισκα, ην ζύκβνιν θαη νη ζπκβαηηθέο πνιηθόηεηεο γηα έλα FET έρνπλ παξνπζηαζηεί ζηα

ζρήκαηα 6.1( α,β,γ θαη δ) απηνύ ηνπ θεθαιαίνπ.

Σεκεηώλνπκε όηη ζε FET δηαύινπ ηύπνπ n ε έληαζε ID είλαη ζεηηθή, ε ηάζε VDS είλαη ζεηηθή θαη ε

ηάζε VGS είλαη αξλεηηθή, ελώ ζε FET δηαύινπ ηύπνπ p ε έληαζε ID είλαη αξλεηηθή, ε ηάζε VDS είλαη

αξλεηηθή θαη ε ηάζε VGS είλαη ζεηηθή. Οη αθόινπζνη ζπκβνιηζκνί ρξεζηκνπνηνύληαη γηα ηα FET .

FET δηαύινπ ηύπνπ n FET δηαύινπ ηύπνπ p

ρήκα 6.8

Η θνξά ηνπ βέινπο ζην ζρήκα ππνδειώλεη ηε θνξά ξνήο ηνπ ξεύκαηνο πύιεο ,αλ ε πόισζε ηεο

έλσζεο ηεο πύιεο ήηαλ νξζή .

Οη ραξαθηεξηζηηθέο ξεύκαηνο ππνδνρήο γηα ηε δηάηαμε θνηλήο πεγήο γηα έλα ζπλεζηζκέλν FET

δηαύινπ ηύπνπ n θαη ηύπνπ p δίλνληαη ζην αθόινπζν ζρήκα :

VDS

ID mA

0

-2V

-3V

-4V

-1V

VGS= 0V

Γραμμή θορηίοσ

VDS

ID mA

0

2V

3V

4V

1V

VGS= 0V

FET δηαύινπ ηύπνπ n FET δηαύινπ ηύπνπ p

ρήκα 6.9

Σηηο ραξαθηεξηζηηθέο απηέο δίλεηαη ην ID ζπλαξηήζεη ηεο VDS κε ηε VGS σο παξάκεηξν . Παξαηεξνύκε

όηη αξρηθά, γηα κηθξέο ηηκέο ηεο ηξνθνδνζίαο VDS έρνπκε ζρεδόλ επζεία γξακκή κε θιίζε αλάινγε ηνπ

(VGS - VP), ζηε ζπλέρεηα έρνπκε θακπύισζε ηεο ραξαθηεξηζηηθήο ιόγσ ηνπ όηη ε αληίζηαζε ηνπ

θαλαιηνύ απμάλεη κε ηελ αύμεζε ηεο VDS θαη ζην ηξίην κέξνο, γηα ηάζεηο κεγαιύηεξεο ηεο VDS,SAT ,

έρνπκε θνξεζκό ζην ξεύκα, θαζώο ζπκβαίλεη ζηξαγγαιηζκόο ηνπ θαλαιηνύ ζηελ πεξηνρή ππνδνρήο.

Πεξαηηέξσ αύμεζε ηεο VDS δελ έρεη θακία επίδξαζε ζην θαλάιη .

6.5.2 Υαξαθηεξηζηηθέο ελόο n-channel J-FET

Οη ραξαθηεξηζηηθέο κεηαθνξάο ελόο n channel J-FET είλαη νη αθόινπζεο :

UGS

UDS

S

D

G

+

+

--

VDS

ID

IDSS

Vp 0

UDS>UGS-Vp

ή

UDG >-VP

VDS

ID mA

0

-2V

-3V

-4V

-1V

VGS= 0V

Τρίοδος

UDS<UGS-Vp

Κορεζμός

UDS>UGS-Vp

IDDS

-Vp

UDS=UGS-Vp

(α) Κύθιωκα (β) ε ραξαθηεξηζηηθή ζηνλ θόξν (γ) νη ραξαθηεξηζηηθέο iD - UDS

ρήκα 6.10 . Φαξαθηεξηζηηθέο ελόο n channel J-FET

Τν J-FET απνθόπηεη, όηαλ VGS = VP (ε VP αξλεηηθή) . Γηα λα αλνίμεη ην ζηνηρείν , εθαξκόδνπκε κηα

ηάζε πύιεο-ππνδνρήο VGS, VP< VGS = 0, θαη κηα ζεηηθή ηάζε ππνδνρήο - πεγήο VDS . Τν J-FET

ιεηηνπξγεί ζηελ γξακκηθή πεξηνρή γηα VDS = VGS -VP . Τν J-FET ιεηηνπξγεί ζηνλ θνξεζκό γηα VDS =

VGS -VP (εθαξκνγέο ελίζρπζεο ) .

Σε εθαξκνγέο ελίζρπζεο ην FET ζπλήζσο ρξεζηκνπνηείηαη ζηελ πεξηνρή πέξαλ ηεο πεξηνρήο θξαγήο (ε

νπνία νλνκάδεηαη πεξηνρή ζηαζεξνύ ξεύκαηνο ή πεξηνρή ξεύκαηνο θόξνπ ) . Δπαλαιακβάλνπκε εδώ

όηη ζηελ πεξηνρή θόξνπ ηζρύεη :

VDS >VDS,SAT θαη VDG = 0 .

Τν ξεύκα θόξνπ ππνδνρήο παξίζηαηαη σο IDS , θαη όηαλ ε πύιε είλαη βξαρπθπθισκέλε (VGS =0)

παξίζηαηαη σο IDSS . Έρεη δνζεί όηη ε ραξαθηεξηζηηθή κεηαθνξάο ε νπνία εθθξάδεη ηε ζρέζε κεηαμύ ηεο

IDS θαη VGS δίλεηαη από ηελ παξαβνιή :

iDS = IDSS ( 1 - VGS/VP)2 (1+λ VDS ) - Δμίζσζε Shockley (6.3)

ή

iDS IDSS ( 1 - VGS/VP)2 (6.4)

Σεκεηώλνπκε όηη ην κέγεζνο λ -1

είλαη αλάινγν ηεο ηάζεο Early ησλ δηπνιηθώλ ηξαλδίζηνξ . Οη

πνζόηεηεο λ θαη λVDS είλαη πνιύ κηθξέο, γη’ απηό άιισζηε κπνξνύλ λα παξαιεθζνύλ από ηελ (6.3)

θαη λα θαηαιήμνπκε έηζη ζηελ πξνζεγγηζηηθή γξακκηθή ζρέζε ηεο (6.4) . Τέινο, ηζρύεη ην εμήο :

VDS,SAT = VGS - VP (6.5)

6.5.3 Σν πξόηππν ηνπ αζζελνύο ζήκαηνο ηνπ FET

Τν γξακκηθό ηζνδύλακν θύθισκα αζζελνύο ζήκαηνο ελόο FET δύλαηαη λα ιεθζεί κε κία κέζνδν

ηζνδύλακε εθείλεο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ην αληίζηνηρν πξόηππν ζηα δηπνιηθά ηξαλδίζηνξ :

Μπνξνύκε λα εθθξάζνπκε ην ξεύκα ππνδνρήο iD ζα ζπλάξηεζε ηεο ηάζεο πύιεο VGS θαη ηεο ηάζεο

ππνδνρήο VDS κέζσ κηαο ζρέζεο :

iD = f(VGS , VDS) (6.6)

6.5.4 Ζ δηαγωγηκόηεηα gm

Δάλ κεηαβάιιεηαη θαη ε ηάζε πύιεο θαη ε ηάζε ππνδνρήο, ε κεηαβνιή ζην ξεύκα ππνδνρήο δίλεηαη

θαηά πξνζέγγηζε από ηνπο δύν πξώηνπο όξνπο ηνπ αλαπηύγκαηνο ζε ζεηξά Fourier ηεο (6.6) :

ΓiD = iD uGSVDS ΓuGS + iD uDSVGS ΓuDS (6.7)

ή (κε ρξήζε ηνπ γλσζηνύ ζπκβνιηζκνύ : ΓiD = id , ΓuGS = ugs , ΓuDS = uds ) ε (6.7) γίλεηαη :

id = gm ugs + (1/rd ) uds (6.8)

όπνπ : gm = iD uGSVDS ˜ ΓiD ΓuGSVDS = id ugsVDS (6.8) είλαη ε ακνηβαία αγσγηκόηεηα ή

δηαγσγηκόηεηα θαη : rd = uDS iD VGS ˜ ΓuDS ΓiD VGS = uds id VGS ε αληίζηαζε ππνδνρήο .

Δθαξκόδνληαο ηνλ νξηζκό ηεο (6.8) ζηελ (6.4) ιακβάλνπκε ηελ αθόινπζε έθθξαζε γηα ηελ gm :

gm = 2 IDSS (1- uGS/VP)/(- VP) (6.9)

Eπίζεο, ζέηνληαο Kn = IDSS/ VP

2 έρνπκε :

iD = IDSS(1- uGS/VP)2

= IDSS/VP

2 (VP - uGS)

2 = Kn (VP - uGS)

2 (6.10)

Τν Kn εμαξηάηαη από ηηο δηαζηάζεηο ηνπ FET θαη κεηξάηαη ζε [mA/V2].

Σην ζεκείν εξεκίαο ηζρύεη :

iD = IDQ

VGS = VGSQ

ελώ ε (6.8) δίλεη :

gm = 2 (Kn IDQ)½ (6.11)

Από όζα αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ πξνθύπηεη ην κνληέιν ησλ J-FET.

6.5.5 Μνληέιν ηωλ J-FET

Μπνξνύκε λα κνληεινπνηήζνπκε έλα J-FET γηα ιεηηνπξγία αζζελνύο ζήκαηνο σο εμήο :

ΓiD = iD uGSVDS·ΓuGS + iD uGSVDS

·ΓuDS = gm·ΓuGS + ΓuDS/rd - ην αληίζηνηρν θύθισκα είλαη ην

εμήο :

rDS

G

S

DiD

gmUgs

ρήκα 6.11

Άξα ε ιεηηνπξγία ηνπ J-FET εμαξηάηαη από ηα gm θαη rd - επεηδή,όκσο, ην rd είλαη πνιύ κεγάιν ην

κνληέιν απινπνηείηαη όπσο ζην ζρήκα 6.12.

G

S

DiD

gmUgs

iD=gmUgs

ρήκα 6.12

Σσμπερασματικά : για μικρά σήματα ένα FET ποσ πολώνεται στην περιοτή κορεσμού λειτοσργεί ως πηγή

ρεύματος ελεγτόμενη από τάση .

Όζνλ αθνξά ζηε ζρεδίαζε ησλ εληζρπηώλ ππάξρνπλ δύν πεξηπηώζεηο :

1. Αλ δίλνληαη νη ραξαθηεξηζηηθέο, ιακβάλεηαη ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο Q ζην κέζν ηεο επζείαο

θνξηίνπ θαη από απηό πξνζδηνξίδνληαη ηα ID θαη VDS θαηά ηα γλσζηά .

2. Αλ δε δίλνληαη νη ραξαθηεξηζηηθέο, ηόηε ζα πξέπεη λα δνζνύλ ηα IDSS θαη VP . Τόηε ην IDQ

εθιέγεηαη από 0.3 έσο 0.7 ηνπ IDSS , ην VGSQ εθιέγεηαη πεξίπνπ 0.3 VP , θαη ην VDSQ εθιέγεηαη

VDD2 .

6.5.6 ύγθξηζε δηπνιηθώλ ηξαλδίζηνξ κε ηξαλδίζηνξ εγθαξζίνπ πεδίνπ

Τν πξόηππν ηνπ FET ηνπ παξαπάλσ ζρήκαηνο πξέπεη λα ζπγθξηζεί κε ην πξόηππν παξακέηξσλ h ηνπ

δηπνιηθνύ ηξαλδίζηνξ ελώζεσο .Τν πξόηππν ηνπ ηξαλδίζηνξ έρεη επίζεο έλα ηζνδύλακν θύθισκα

εμόδνπ Norton, ηνπ νπνίνπ ε πεγή ξεύκαηνο εμαξηάηαη από ην ξεύκα εηζόδνπ, ελώ ζην πξόηππν ηνπ

FET ε πεγή ξεύκαηνο εμαξηάηαη από ηελ ηάζε εηζόδνπ . Δπίζεο, ζηηο ρακειέο ζπρλόηεηεο πνπ

εμεηάδνπκε δελ ππάξρεη αλάδξαζε κεηαμύ εμόδνπ θαη εηζόδνπ ηνπ FET, ελώ γηα ην δηπνιηθό

ηξαλδίζηνξ ππάξρεη αλάδξαζε ιόγσ ηεο παξακέηξνπ hre . Τέινο, γηα ηε ζπλδεζκνινγία CE, ε πςειή -

ζρεδόλ άπεηξε- αληίζηαζε εηζόδνπ ηνπ FET ζην δηπνιηθό ηξαλδίζηνξ έρεη αληηθαηαζηαζεί από κηαλ

αληίζηαζε εηζόδνπ πεξίπνπ 1Κ .

Σπλνςίδνληαο, ζηηο ρακειέο ζπρλόηεηεο ην FET είλαη έλαο πνιύ πην ηδαληθόο ζπγθξηηήο από ηα ζπλήζε

ηξαλδίζηνξ - θάηη πνπ δελ ηζρύεη γηα πςειώηεξεο ζπρλόηεηεο .

6.6. ρεδίζε θαη αλάιπζε εληζρπηώλ

6.6.1 ρεδίαζε CS εληζρπηνύ

Α. Αλάιπζε

Τν θύθισκα ηνπ CS εληζρπηνύ είλαη ην αθόινπζν :

R1

R2

RL

RD

RS

VDD

Uin

Uo

+

+

- -

D

S

G

ρήκα 6.13

Όπσο είλαη γλσζηό γηα ηε ζρεδίαζε θαη ηελ αλάιπζε ησλ εληζρπηηθώλ δηαηάμεσλ αθνινπζνύκε ηα δύν

ζηάδηα ηεο αλάιπζεο ηνπ ac θαη dc κνληέινπ :

dc μοντέλο

Τν θύθισκα ηνπ dc κνληέινπ πξνθύπηεη θαηά ηα γλσζηά (κε κεδεληζκό όισλ ησλ πεγώλ

κεηαβαιιόκελνπ ζήκαηνο, αλνηθηνθύθισζε ησλ θιάδσλ πνπ πεξηιακβάλνπλ ππθλσηή,θιπ.) :

Rg

RD

RS

VDD

D

S

G

ID

ID

ρήκα 6.14

Σην παξαπάλσ ζρήκα : Rg R1 // R 2 = R1R2 /R1 + R2 θαη VGG =VDDR1 /

(R1 + R2) .

Θέινπκε λα ππνινγίζνπκε ηα IDQ, VGSQ θαη VDSQ. Ιζρύεη :

VGG = VGSQ + IDQ RS (6.12)

Γελ έρνπκε πηώζε ηάζεο ζηελ Rg ιόγσ ακειεηένπ ξεύκαηνο εηζόδνπ ζην FET.

VDD = VDSQ + IDQ (RS + RD) (6.13)

IDQ/ IDSS= (1 - VGS/VP)

2 (6.14)

Από ηηο ζρέζεηο (6.11), (6.12) θαη (6.13) βξίζθνπκε ηηο δεηνύκελεο πνζόηεηεο, αξθεί λα έρνπκε ηηο

ραξαθηεξηζηηθέο ή ηα IDSS θαη VP.

ac μοντέλο

Τν θύθισκα ηνπ ac κνληέινπ πξνθύπηεη θαηά ηα γλσζηά (κεδεληζκόο ησλ πεγώλ ακεηάβιεηεο ηάζεο ή

έληαζεο, βξαρπθύθισζε ησλ θιάδσλ πνπ πεξηέρνπλ ππθλσηέο θ.ι.π) :

RD

G

S

DiD

gmUgs

RL

RD

RDUin

Uo

+

-

iin

io

ρήκα 6.15

Από ην ζρήκα έρνπκε :

uI = ugs + RS iD ή ugs = ui- RS iD = ui- RS gm ugs ή ugs = ui/(1+ RS gm) (6.14)

Αιιά uν = - iD(RD// RL) (6.15)

Από ηηο (6.14) θαη (6.15) θαη από ηνλ νξηζκό ηνπ θέξδνπο ηάζεο AV = uν / ui θαηαιήγνπκε ζηελ

AV = - (RD// RL)/( RS+1/gm) (6.16)

Αλ ε RS παξαθάκπηεηαη από ππθλσηή ηόηε AV = - gm(RD// RL). Με Rin = Rg R1 // R 2 , πξνθύπηεη γηα ην

θέξδνο ξεύκαηνο :

AI = iν / iin = AV Rin/ RL = -(RD// RL)/( RS+1/gm) ·Rin/ RL = - Rg /( RS+1/gm) ·RD/ (RD+ RL)

(6.17)

Β. ρεδίαζε

Πρόβλημα : Γίλεηαη έλαο CS εληζρπηήο όπσο ζην ζρ.5.16. Γίλνληαη επίζεο, όιεο νη ραξαθηεξηζηηθέο ή

ην δεπγάξη ΙDSS θαη VP. Να βξεζνύλ ηα R1, R2,RD θαη RS.

Γηα λα ιύζνπκε ην πξόβιεκα αθνινπζνύκε ηα εμήο ζρεδηαζηηθά βήκαηα :

Βήμα 1ο.

Από ηηο ραξαθηεξηζηηθέο ή ηα ΙDSS θαη VP δηαιέγνπκε ην ζεκείν εξεκίαο Q (IDQ = 0,3 κε 0,7ΙDSS,

VGSQ = 0,3 θαη VDSQ = VDD/2 ). Έηζη, έρνπκε βξεη ηα VDSQ, IDQ, VGSQ θαη gm.

Βήμα 2ο.

Έρνπκε όηη :

VDD = VDSQ + (RS + RD) IDQ (6.18)

Λύλνληαο ηελ (6.18) σο πξνο RS +RD έρνπκε:

RS + RD = (VDD - VDSQ)/ IDQ = K1 (6.19)

Βήμα 3ο.

Από ηνλ ηύπν (6.16) πνπ δίλεη ην AV έρνπκε : AV = -(RD// RL)/( RS+1/gm) = -(RD// RL)/{(K1-RD)+1/gm}

. Από εδώ βξίζθνπκε ην RD. Έρνπκε δεπηεξνβάζκηα εμίζσζε κε κία ζεηηθή θαη κία αξλεηηθή ιύζε.

Δάλ κε ηε (ζεηηθή) ιύζε έρνπκε RD > K1 , πνπ ζεκαίλεη RS αξλεηηθό, ηόηε έρνπκε θάλεη ιαλζαζκέλε

επηινγή ηνπ Q θαη πξέπεη λα επηιέμνπκε λέν, επαλαιακβάλνληαο ηε δηαδηθαζία από ην πξώην βήκα.

Δάλ ε ζεηηθή ιύζε δίλεη RD < K1 , ηόηε πξνρσξνύκε ζην ηέηαξην βήκα.

Βήμα 4ο.

Λύλνπκε ηελ (6.19) θαη έρνπκε RS = (VDD - VDSQ)/ IDQ + RD . Έηζη, βξήθακε ηα RS θαη RD θαη δεηάκε

ηα R1 θαη R2.

Βήμα 5ο.

Δθαξκόδνπκε ηνλ Ν.Τ.Κ. ζην θύθισκα ηεο πύιεο VGG = VGSQ + RSIDQ . Η ηάζε VGSQ πξέπεη λα είλαη

αληίζεηεο πνιηθόηεηαο από ηελ VDD. Έηζη, ν όξνο RSIDQ πξέπεη λα είλαη κεγαιύηεξνο από ηνλ VGSQ

θαηά κέηξν, αιιηώο, ην VGG ζα βξεζεί αληίζεηεο πνιηθόηεηαο από ηελ VDD (θάηη πνπ είλαη αδύλαην κε

ηελ παξνύζα ηξνθνδνζία).

Βήμα 6ο.

Δάλ ε VGG βξεζεί ζεηηθή, ηόηε επηιύνπκε ην ζύζηεκα VGG = R1VDD/(R1+R2) θαη Rg = R1 R2 /(R1+R2)

όπνπ ε Rg = Rin (δεδνκέλε).

Βήμα 7ο.

Δάλ ε VGG έρεη αξλεηηθή πνιηθόηεηα (αληίζεηε ηεο VDD), δελ κπνξνύκε λα βξνύκε ηηο R1 θαη R2. Τόηε

πξνρσξνύκε ζέηνληαο VGG = 0 θαη R2 = . Δπεηδή VGG = VGSQ + RSIDSQ πξέπεη λα ηξνπνπνηεζεί ε RS κε

ac θαη dc ηκήκα όπσο ζην ζρήκα 10, νπόηε έρνπκε :

VGG = 0 = VGSQ + RS,DCIDQ

RS,DC = -VGSQ / IDQ

RS

D

S

G

RS

ρήκα 6.16

Από ην ζρήκα 6.16 : RS,AC = RS1 RS,DC = RS1+ RS2

Έηζη, επαλαιακβάλνπκε κεξηθά βήκαηα κε ηε λέα RS,DC.

Βήμα 8ο.

Δίλαη : RD = K1 - RS,DC. Με ηε λέα ηηκή ηεο RD πνπ βξήθακε, θαη από ηνλ ηύπν (6.16) πνπ δίλεη ην AV,

έρνπκε :

AV = -(RD// RL)/( RS,AC +1/gm) απ΄όπνπ βξίζθνπκε ην RS,AC. Αλ απηή ε ηηκή ηνπ RS,AC είλαη ζεηηθή θαη

κηθξόηεξε ηεο RS,DC, ηελ απνδερόκαζηε, δειαδή είλαη RS,DC = RS1 + RS2 = RS,AC + RS2. Βξίζθνπκε ην

RS2. Έρνπκε R1 = Rg = Rin. Αλ όκσο ε ιύζε είλαη ζεηηθή θαη κεγαιύηεξε ηνπ RS,DC, ηόηε δηαιέγνπκε λέν

Q (βήκα 1ν.) θαη πξνρσξνύκε από ηελ αξρή. Αλ ην AV είλαη κεγάιν, ηόηε πηζαλόλ θαλέλα Q λα κε

δίλεη ιύζε. Τόηε πξέπεη λα αιιάμνπκε ην ηξαλδίζηνξ ή λα ρξεζηκνπνηήζνπκε εληζρπηή πνιιώλ

βαζκίδσλ.

6.6.2. ρεδίαζε εληζρπηνύ CD ή αθόινπζνπ πεγήο (SF)

Α. Αλάιπζε

R1

R2

RL

RS

C

VDD

Uin

Uo

+

+

- -

D

S

G

rDS

G

S

D

gmUgs

RgRS RL

+

-

+

-

UinUo

ρήκα 6.17. Κύθισκα εληζρπηή CD ρήκα 6.18. Τν ac κνληέιν ηνπ CD εληζρπηή

Ιζρύεη όηη : Rg = Rin .

Αλ ε rDS δελ είλαη πνιύ κεγαιύηεξε ηεο RS, ηόηε ηζρύεη πξνζεγγηζηηθά RS΄= RS // rDS. Δκείο εδώ ζα

ππνζέζνπκε όηη RS << rDS.

Καζώο Ugs = Ui - gm Ugs (RS //RL), πξνθύπηεη όηη Uη = Ugs[1 + gm (RS //RL)].

Η ηάζε εμόδνπ είλαη UO = gmUgs(RS//RL). Έηζη, πξνθύπηεη όηη ην θέξδνο είλαη

AV = UO/ Ui = gm (RS//RL)/ [1+ gm (RS //RL)] = (RS//RL)/ [1/gm + (RS //RL)] (6..20)

Γηα ην ξεύκα, ην θέξδνο είλαη

Ai= AV Rin/RL= (RS//RL)/ [1/gm

+ (RS //RL)] . Rin/RL = RS/[1/gm

+(RS //RL)] . Rg/(RL+ RS) (6.21)

Σημείωση : Δάλ ε Rg δελ ηθαλνπνηεί ηελ απαίηεζε γηα κεγάιε αληίζηαζε εηζόδνπ, ηόηε ρξεζηκνπνηείηαη

ε ηερληθή bootstrapping γηα FET.

Β. ρεδίαζε

Πρόβλημα : Να ζρεδηαζζεί εληζρπηήο CD κε δεδνκέλεο ηηο ραξαθηεξηζηηθέο ή ηα ΙDSS θαη VP.

Γηα λα ιύζνπκε ην πξόβιεκα αθνινπζνύκε ηα εμήο ζρεδηαζηηθά βήκαηα :

Βήμα 1ο.

Βξίζθνπκε ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο Q. Έρνπκε IDQ = IDSS/2, VGSQ = 0,3VP θαη VDSQ = VDD/2. Από απηέο

ηηο ζρέζεηο ππνινγίδνπκε θαη ην gm.

Βήμα 2ο.

Από ην Ν.Τ.Κ. ζην dc κνληέιν ιακβάλνπκε VDD = VDSQ + RS IDQ. Από ηε ζρέζε απηή ππνινγίδεηαη ε

RS,DC :

RS,DC = (VDD -VGSQ) / IDQ.

Βήμα 3ο.

Από ηε ζρέζε (6.21) πνπ δίλεη ην θέξδνο ξεύκαηνο, ππνινγίδνπκε ην RS,AC κε Rg = Rin.

Σημείωση 1η. Δάλ δελ καο δίδεηαη ε Rg = Rin, ηόηε ζέηνπκε RS,AC = RS,DC θαη από ηε ζρέζε γηα ην

θέξδνο ξεύκαηνο ππνινγίδνπκε ην Rg. Δάλ δελ είλαη πνιύ κεγάιν, ηόηε εθιέγνπκε άιιν ζεκείν

ιεηηνπξγίαο Q. Δάλ καο δίδεηαη ε Rg = Rin, ηόηε - όπσο είπακε - ππνινγίδνπκε ηελ RS,AC θαη ζηε

ζρεδίαζε ηνπ θπθιώκαηνο παξαθάκπηνπκε κέξνο ηεο RS κε ππθλσηή.

Βήμα 4ο.

Από εθαξκνγή ηνπ Ν.Τ.Κ. ιακβάλνπκε όηη VGG = VGSQ + RSIDSQ. Από απηή ηε ζρέζε βξίζθνπκε ην

VGG. Γελ ππάξρεη αληίζεζε ζηε θάζε γηα αληίζεηε πνιηθόηεηα, έηζη ην VGG ζα πξνθύςεη ζεηηθό.

Καηόπηλ, ππνινγίδνπκε ηηο R1 θαη R2 από ηηο εμηζώζεηο ηνπ dc κνληέινπ VGG = R1VDD/(R1+R2) θαη Rg =

R1 R2 /(R1+R2).

Σημείωση 2η. Δάλ ε RS,AC βξεζεί κεγαιύηεξε ηεο RS,DC, ηόηε πξέπεη λα εθιέμνπκε δηαθνξεηηθό ζεκείν

ιεηηνπξγίαο Q, ώζηε λα πξνθύςεη κηθξόηεξεο ηηκήο VDSQ θαη ηειηθά κηθξόηεξεο ηηκήο RS,DC. Δάλ δελ

κπνξεί λα γίλεη απηό πξέπεη λα αιιάμνπκε ηελ Rg = Rin ή ην FET ή λα ρξεζηκνπνηήζνπκε δύν FET.