IGFET tipe deplesi

Transistor efek medan gerbang terisolasi adalah perangkat unipolar seperti JFET:yaitu, arus yang dikendalikan tidak harus melewati persimpangan PN. Ada sambungan PN di dalam transistor, tetapi satu-satunya tujuannya adalah untuk menyediakan daerah penipisan nonkonduktor yang digunakan untuk membatasi arus yang melalui saluran.

Simbol Skema dan Diagram Fisik

Berikut adalah diagram IGFET saluran-N dari jenis "penipisan":

Perhatikan bagaimana sumber dan saluran pembuangan terhubung ke kedua ujung saluran N, dan bagaimana ujung gerbang menempel pada pelat logam yang dipisahkan dari saluran oleh penghalang isolasi tipis. Penghalang itu terkadang terbuat dari silikon dioksida (senyawa kimia utama yang ditemukan di pasir), yang merupakan isolator yang sangat baik. Karena konstruksi Logam (gerbang) - Oksida (penghalang) - Semikonduktor (saluran), IGFET kadang-kadang disebut sebagai MOSFET. Namun, ada jenis konstruksi IGFET lainnya, jadi "IGFET" adalah deskripsi yang lebih baik untuk transistor kelas umum ini.

Perhatikan juga bagaimana ada empat koneksi ke IGFET. Dalam praktiknya, kabel substrat terhubung langsung ke kabel sumber untuk membuat keduanya sama secara elektrik. Biasanya, koneksi ini dibuat secara internal ke IGFET, menghilangkan koneksi media yang terpisah, menghasilkan perangkat tiga terminal dengan simbol skema yang sedikit berbeda:

Dengan sumber dan substrat yang sama satu sama lain, lapisan N dan P dari IGFET akhirnya terhubung langsung satu sama lain melalui kabel luar. Sambungan ini mencegah tegangan apa pun agar tidak terkesan melintasi sambungan PN. Akibatnya, daerah penipisan ada di antara kedua bahan, tetapi tidak pernah dapat diperluas atau diciutkan. Operasi JFET didasarkan pada perluasan daerah deplesi PN junction, tetapi di sini di IGFET itu tidak dapat terjadi, jadi operasi IGFET harus didasarkan pada efek yang berbeda.

Memang benar, karena ketika tegangan pengontrol diterapkan antara gerbang dan sumber, konduktivitas saluran berubah sebagai akibat dari daerah penipisan yang bergerak lebih dekat atau lebih jauh dari gerbang. Dengan kata lain, lebar efektif saluran berubah seperti halnya JFET, tetapi perubahan lebar saluran ini disebabkan oleh perpindahan daerah penipisan daripada perluasan daerah penipisan.

IGFET saluran-N

Dalam IGFET saluran-N, tegangan pengontrol yang diterapkan positif (+) ke gerbang dan negatif (-) ke sumber memiliki efek menolak daerah penipisan sambungan PN, memperluas saluran tipe-N dan meningkatkan konduktivitas:

Membalikkan polaritas tegangan pengontrol memiliki efek sebaliknya, menarik daerah penipisan dan mempersempit saluran, akibatnya mengurangi konduktivitas saluran:

Gerbang berinsulasi memungkinkan untuk mengontrol voltase dari polaritas apa pun tanpa bahaya bias maju pada persimpangan, seperti yang menjadi perhatian JFET. Jenis IGFET ini, meskipun disebut "tipe penipisan", sebenarnya memiliki kemampuan untuk membuat salurannya berkurang (saluran menyempit) atau ditingkatkan (saluran diperluas). Polaritas tegangan input menentukan ke arah mana saluran akan terpengaruh.

Memahami polaritas mana yang memiliki efek tidak sesulit kelihatannya. Kuncinya adalah mempertimbangkan jenis doping semikonduktor yang digunakan dalam saluran (saluran-N atau saluran-P?), kemudian hubungkan jenis doping tersebut ke sisi sumber tegangan input yang terhubung ke saluran melalui kabel sumber. Jika IGFET adalah saluran-N dan tegangan input dihubungkan sehingga sisi positif (+) berada di gerbang sedangkan sisi negatif (-) berada di sumber, saluran akan ditingkatkan karena elektron tambahan menumpuk di saluran. sisi saluran penghalang dielektrik. Pikirkan, "negatif (-) berkorelasi dengan tipe-N, sehingga meningkatkan saluran dengan jenis pembawa muatan (elektron) yang tepat dan membuatnya lebih konduktif." Sebaliknya, jika tegangan input dihubungkan ke N-channel IGFET sebaliknya, sehingga negatif (-) terhubung ke gerbang sedangkan positif (+) terhubung ke sumber, elektron bebas akan "dirampok" dari saluran sebagai pengisian kapasitor saluran gerbang, sehingga menghabiskan saluran pembawa muatan mayoritas dan membuatnya kurang konduktif.

IGFET saluran-P

Untuk IGFET saluran-P, polaritas tegangan input dan efek saluran mengikuti aturan yang sama. Artinya, dibutuhkan polaritas yang berlawanan sebagai N-channel IGFET untuk menguras atau meningkatkan:

Mengilustrasikan polaritas bias yang tepat dengan simbol IGFET standar:

Ketika ada tegangan nol yang diterapkan antara gerbang dan sumber, IGFET akan mengalirkan arus antara sumber dan saluran, tetapi tidak sebanyak arus jika ditingkatkan dengan tegangan gerbang yang tepat. Ini menempatkan tipe-deplesi, atau hanya tipe-D, IGFET dalam kategori tersendiri di dunia transistor. Transistor persimpangan bipolar adalah perangkat yang biasanya mati:tanpa arus basis, transistor memblokir arus apa pun yang melewati kolektor. Transistor efek medan sambungan adalah perangkat yang biasanya aktif:dengan nol tegangan gerbang-ke-sumber yang diterapkan, mereka memungkinkan arus pengurasan maksimum (sebenarnya, Anda dapat membujuk JFET ke arus pengurasan yang lebih besar dengan menerapkan tegangan bias maju yang sangat kecil antara gerbang dan sumber, tetapi hal ini tidak boleh dilakukan dalam praktik karena berisiko merusak sambungan PN yang rapuh). IGFET tipe-D, bagaimanapun, biasanya merupakan perangkat setengah aktif:tanpa tegangan gerbang-ke-sumber, tingkat konduksinya berada di antara cutoff dan saturasi penuh. Selain itu, mereka akan mentolerir tegangan sumber gerbang yang diterapkan dari polaritas apa pun, sambungan PN kebal dari kerusakan karena penghalang isolasi dan terutama sambungan langsung antara sumber dan substrat yang mencegah perbedaan tegangan di sambungan.

Ironisnya, perilaku konduksi IGFET tipe-D sangat mirip dengan tabung elektron varietas triode/tetrode/pentode. Perangkat ini adalah pengatur arus yang dikendalikan tegangan yang juga memungkinkan arus melaluinya dengan tegangan pengontrol nol yang diterapkan. Tegangan pengontrol satu polaritas (grid negatif dan katoda positif) akan mengurangi konduktivitas melalui tabung sementara tegangan polaritas lainnya (grid positif dan katoda negatif) akan meningkatkan konduktivitas. Saya merasa penasaran bahwa salah satu desain transistor kemudian ditemukan menunjukkan sifat dasar yang sama dari perangkat aktif (elektronik) pertama.

Simulasi SPICE IGFET tipe-D

Beberapa analisis SPICE akan menunjukkan perilaku IGFET tipe-D yang mengatur arus. Pertama, tes dengan tegangan input nol (gerbang korsleting ke sumber) dan catu daya disapu dari 0 hingga 50 volt. Grafik menunjukkan arus pembuangan:

kurva karakteristik igfet n-channel m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Seperti yang diharapkan untuk transistor apa pun, arus terkontrol tetap stabil pada nilai yang diatur pada rentang tegangan catu daya yang luas. Dalam hal ini, titik teregulasi tersebut adalah 10 A (1.000E-05 Amps). Sekarang mari kita lihat apa yang terjadi ketika kita menerapkan tegangan negatif ke gerbang (dengan mengacu pada sumbernya) dan menyapu catu daya pada rentang yang sama dari 0 hingga 50 volt:

kurva karakteristik igfet n-channel m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Tidak mengherankan, arus pembuangan sekarang diatur pada nilai yang lebih rendah yaitu 2,5 A (turun dari 10 A dengan tegangan input nol). Sekarang mari kita terapkan tegangan input dari polaritas lain, untuk meningkatkan IGFET:

kurva karakteristik igfet n-channel m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Dengan transistor yang ditingkatkan oleh tegangan pengontrol yang kecil, arus pembuangan sekarang pada nilai yang meningkat 22,5 A (2,250E-05 Amps). Harus jelas dari ketiga rangkaian angka tegangan dan arus ini bahwa hubungan arus drain ke tegangan sumber gerbang adalah nonlinier seperti halnya dengan JFET. Dengan tegangan pengurasan 1/2 volt, arus pembuangan adalah 2,5 A; dengan input 0 volt, arus pembuangan naik hingga 10 A; dan dengan tegangan penambah 1/2 volt, arusnya sebesar 22,5 A. Untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang nonlinier ini, kita dapat menggunakan SPICE untuk memplot arus pembuangan pada rentang nilai tegangan input, menyapu dari angka negatif (mengurangi) ke angka positif (meningkatkan), mempertahankan tegangan catu daya V1 pada nilai konstan:

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

Seperti halnya dengan JFET, ketidaklinieran yang melekat pada IGFET ini berpotensi menyebabkan distorsi pada rangkaian penguat, karena sinyal input tidak akan direproduksi dengan akurasi 100 persen pada output. Perhatikan juga bahwa tegangan sumber gerbang sekitar 1 volt pada arah yang semakin menipis mampu menjepit saluran sehingga hampir tidak ada arus pembuangan. IGFET tipe-D, seperti JFET, memiliki peringkat tegangan pinch-off tertentu. Peringkat ini bervariasi dengan keunikan transistor, dan mungkin tidak sama dengan simulasi kami di sini.

Kurva Karakteristik IGFET

Dengan memplot sekumpulan kurva karakteristik untuk IGFET, kita melihat pola yang tidak berbeda dengan JFET:

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Transistor Efek Medan Gerbang Terisolasi