Transistor Efek Medan Persimpangan

Transistor efek medan diusulkan oleh Julius Lilienfeld dalam paten AS pada tahun 1926 dan 1933 (1.900.018). Selain itu, Shockley, Brattain, dan Bardeen sedang menyelidiki transistor efek medan pada tahun 1947. Namun, kesulitan ekstrim mengalihkan mereka untuk menciptakan transistor bipolar sebagai gantinya. Teori transistor efek medan Shockley diterbitkan pada tahun 1952. Namun, teknologi pemrosesan bahan belum cukup matang hingga tahun 1960 ketika John Atalla memproduksi perangkat yang berfungsi.

Sebuah transistor efek medan (FET) adalah unipolar perangkat, melakukan arus hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan. Jika didasarkan pada pelat semikonduktor tipe-N, pembawanya adalah elektron. Sebaliknya, perangkat berbasis tipe-P hanya menggunakan lubang.

Operasi FET

Pada tingkat rangkaian, operasi transistor efek medan sederhana. Tegangan diterapkan ke gerbang , elemen input, mengontrol resistensi saluran , daerah unipolar antara daerah gerbang. (Gambar di bawah) Dalam perangkat saluran-N, ini adalah lempengan silikon tipe-N yang didoping ringan dengan terminal di ujungnya. sumber dan menguras terminal analog dengan emitor dan kolektor, masing-masing, dari BJT. Dalam perangkat saluran-N, wilayah tipe-P berat di kedua sisi tengah pelat berfungsi sebagai elektroda kontrol, gerbang. Gerbang dianalogikan dengan dasar BJT.

“Kebersihan bersebelahan dengan kesalehan” berlaku untuk pembuatan transistor efek medan. Meskipun dimungkinkan untuk membuat transistor bipolar di luar ruang bersih , itu adalah kebutuhan untuk transistor efek medan. Bahkan di lingkungan seperti itu, pembuatannya rumit karena masalah pengendalian kontaminasi. Transistor efek medan unipolar secara konseptual sederhana, tetapi sulit untuk diproduksi. Kebanyakan transistor saat ini adalah jenis semikonduktor oksida logam (bagian selanjutnya) dari transistor efek medan yang terkandung dalam sirkuit terpadu. Namun, perangkat JFET diskrit tersedia.

Penampang transistor efek medan persimpangan.

Transistor efek medan persimpangan saluran N (JFET) yang dibias dengan benar ditunjukkan pada Gambar di atas. Gerbang merupakan persimpangan dioda ke sumber untuk mengalirkan pelat semikonduktor. Gerbang adalah bias mundur. Jika tegangan (atau ohmmeter) diterapkan antara sumber dan saluran, batang tipe-N akan mengalir ke kedua arah karena doping. Baik gerbang maupun bias gerbang tidak diperlukan untuk konduksi. Jika persimpangan gerbang terbentuk seperti yang ditunjukkan, konduksi dapat dikontrol oleh tingkat bias balik.

Gambar di bawah (a) menunjukkan daerah penipisan di persimpangan gerbang. Hal ini disebabkan oleh difusi lubang dari daerah gerbang tipe-P ke saluran tipe-N, memberikan pemisahan muatan di sekitar sambungan, dengan daerah penipisan non-konduktif di sambungan. Daerah penipisan meluas lebih dalam ke sisi saluran karena doping gerbang berat dan doping saluran ringan.

N-channel JFET:(a) Deplesi pada dioda gerbang. (b) Dioda gerbang bias terbalik meningkatkan daerah penipisan. (c) Peningkatan bias balik memperbesar daerah penipisan. (d) Meningkatkan bias mundur mencubit saluran SD.

Ketebalan daerah penipisan dapat ditingkatkan Gambar di atas (b) dengan menerapkan bias balik sedang. Hal ini meningkatkan resistensi sumber untuk mengalirkan saluran dengan mempersempit saluran. Meningkatkan bias balik di (c) meningkatkan daerah penipisan, mengurangi lebar saluran, dan meningkatkan resistansi saluran. Meningkatkan bias mundur VGS pada (d) akan menjepit arus saluran. Resistensi saluran akan sangat tinggi. VGS di mana pinch-off terjadi adalah VP, tegangan pinch-off. Ini biasanya beberapa volt. Singkatnya, resistansi saluran dapat dikontrol oleh tingkat bias balik pada gerbang.

Sumber dan saluran dapat dipertukarkan, dan sumber untuk mengalirkan arus dapat mengalir ke kedua arah untuk tegangan baterai saluran tingkat rendah (<0,6 V). Artinya, baterai penguras dapat diganti dengan sumber AC tegangan rendah. Untuk tegangan catu daya saluran tinggi, hingga 10 volt untuk perangkat sinyal kecil, polaritasnya harus seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah (a). Catu daya saluran pembuangan ini, tidak ditunjukkan pada gambar sebelumnya, mendistorsi wilayah penipisan, memperbesarnya di sisi saluran pembuangan gerbang. Ini adalah representasi yang lebih tepat untuk tegangan suplai DC umum, dari beberapa hingga puluhan volt. Saat tegangan saluran VDS meningkat, wilayah penipisan gerbang meluas ke saluran pembuangan. Ini meningkatkan panjang saluran sempit, meningkatkan resistensinya sedikit. Kami mengatakan "sedikit" karena perubahan resistansi yang besar disebabkan oleh perubahan bias gerbang. Gambar di bawah (b) menunjukkan simbol skema untuk transistor efek medan saluran-N dibandingkan dengan penampang silikon di (a). Panah gerbang menunjuk ke arah yang sama dengan dioda sambungan.

Panah "menunjuk" dan bilah "tidak menunjuk" masing-masing sesuai dengan semikonduktor tipe-P dan N.

N-channel JFET arus mengalir dari saluran ke sumber di (a) penampang, (b) simbol skema.

Gambar di atas menunjukkan arus besar mengalir dari terminal baterai (+), ke pengurasan FET, keluar dari sumber, kembali ke terminal baterai (-). Aliran arus ini dapat dikontrol dengan memvariasikan tegangan gerbang. Beban secara seri dengan baterai melihat versi tegangan gerbang yang berubah.

Transistor efek medan saluran-P juga tersedia. Saluran terbuat dari bahan tipe-P. Gerbang adalah wilayah tipe-N yang sangat didoping. Semua sumber tegangan dibalik dalam rangkaian saluran-P (Gambar di bawah) dibandingkan dengan perangkat saluran-N yang lebih populer. Perhatikan juga, panah menunjuk keluar dari gerbang simbol skematik (b) transistor efek medan saluran-P.

JFET saluran-P:(a) Gerbang tipe-N, saluran tipe-P, sumber tegangan terbalik dibandingkan dengan perangkat saluran-N. (b) Catat panah gerbang terbalik dan sumber tegangan pada skema.

Saat tegangan bias gerbang positif meningkat, resistansi saluran-P meningkat, mengurangi aliran arus di sirkuit pembuangan.

Perangkat diskrit diproduksi dengan penampang yang ditunjukkan pada Gambar di bawah. Penampang melintang, berorientasi sehingga sesuai dengan simbol skema, terbalik terhadap wafer semikonduktor. Artinya, koneksi gerbang berada di atas wafer. Gerbang didoping berat, P+, untuk menyebarkan lubang dengan baik ke dalam saluran untuk daerah penipisan yang besar. Sambungan sumber dan saluran pembuangan di perangkat saluran-N ini sangat didoping, N+ untuk menurunkan resistansi sambungan. Namun, saluran yang mengelilingi gerbang didoping ringan untuk memungkinkan lubang dari gerbang menyebar jauh ke dalam saluran. Itu adalah wilayah N.

Transistor efek medan sambungan:(a) Penampang perangkat diskrit, (b) simbol skematik, (c) penampang perangkat sirkuit terpadu.

Ketiga terminal FET tersedia di bagian atas cetakan untuk versi sirkuit terpadu sehingga lapisan metalisasi (tidak ditampilkan) dapat menghubungkan beberapa komponen. (Gambar di atas (c) ) Sirkuit terpadu FET digunakan dalam sirkuit analog untuk resistansi input gerbang tinggi. Wilayah saluran-N di bawah gerbang harus sangat tipis sehingga wilayah intrinsik di sekitar gerbang dapat mengontrol dan menjepit saluran. Dengan demikian, wilayah gerbang di kedua sisi saluran tidak diperlukan.

DUDUK

Transistor efek medan sambungan (tipe induksi statis):(a) Penampang melintang, (b) simbol skema.

Transistor efek medan induksi statis (SIT) adalah perangkat saluran pendek dengan gerbang terkubur. (Gambar di atas) Ini adalah perangkat listrik, sebagai lawan dari perangkat sinyal kecil. Resistansi gerbang yang rendah dan kapasitansi gerbang ke sumber yang rendah membuat perangkat switching cepat. SIT mampu ratusan amp dan ribuan volt. Dan, dikatakan mampu menghasilkan frekuensi 10 GHz yang luar biasa.

Transistor efek medan semikonduktor logam (MESFET):(a) simbol skema, (b) penampang.

MESFET

Transistor efek medan semikonduktor logam (MESFET) mirip dengan JFET kecuali gerbangnya adalah dioda schottky, bukan dioda persimpangan. Sebuah dioda schottky adalah kontak penyearah logam ke semikonduktor dibandingkan dengan kontak ohmik yang lebih umum. Pada Gambar di atas sumber dan saluran didoping berat (N+). Saluran didoping ringan (N-). MESFET memiliki kecepatan yang lebih tinggi daripada JFET. MESFET adalah perangkat mode deplesi, biasanya aktif, seperti JFET. Mereka digunakan sebagai penguat daya gelombang mikro hingga 30 GHz. MESFET dapat dibuat dari silikon, galium arsenida, indium fosfida, silikon karbida, dan alotrop berlian karbon.

TINJAUAN:

• Transistor efek medan sambungan unipolar (FET atau JFET) disebut demikian karena konduksi dalam saluran disebabkan oleh satu jenis pembawa
• Sumber, gerbang, dan saluran JFET masing-masing sesuai dengan emitor, basis, dan kolektor BJT.
• Penerapan bias balik ke gerbang memvariasikan resistansi saluran dengan memperluas wilayah penipisan dioda gerbang.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja transistor efek medan sambungan (JFET)