De veldeffect transistor

Al van gehoord toch? Dit soort transistor wordt veelvuldig gebruikt wegens zijn bijzondere eigenschappen. De werking is totaal verschillend van de gewone (bipolaire) transistor. Hij werkt eerder zoals de radiobuis die we later zullen zien. Het einddoel is meestal hetzelfde: versterken.

Pro memorie :

Tot nu toe hebben we het steeds over de bipolaire transistor gehad.

Bipolair, omdat de verplaatsing van ladingen, door de verschuiving van elektronen en gaten gebeurt.

Nu bestuderen we een unipolaire transistor waarvan de werking enkel afhangt van elektronen of gaten.

We kunnen van de veldeffecttransistoren niet alles bestuderen. Bedenk dat deze cursus maar een hulpmiddel vormt om tot het niveau van het BIPT examen te komen. Voor wie wat meer door elektronica geboeid is bestaan er boeken tijdschriften enz… zie de RCL-bibliotheek !

Zoals de figuur hiernaast laat zien, bestaat de veldeffect-transistor uit een staafje N gedopeerd (verontreinigd) halfgeleiderstaafje. Rond dat staafje is als het ware een ring van P gedopeerd materiaal, geïsoleerd aangebracht. Door het N staafje kan stroom vloeien, afhankelijk van de spanning DRAIN / SOURCE. Door een negatieve spanning op het P materiaal gaat onder invloed van het elektrisch veld, het kanaal vernauwen. Er vloeit GEEN stroom door de GATE (in sperrichting aangesloten). Door de negatieve spanning op deGATE zal de stroom DRAIN / SOURCEbeïnvloed worden. Met de negatieve spanning op de GATE regelt men dus de stroom ( waar hebben we dat nog gezien ?). Belangrijk: het is het elektrisch VELD dat de regeling doet, vandaar de naam VELDEFFECT transistor of:
Field Effet Transistor (of “FET” zoals meestal genoemd).

Links zie je het symbool voor een veldeffect-transistor of FET.
Je kan vergelijken met de gewone transistor; je zal merken dat de GATE als BASIS, de DRAINals COLLECTOR en de SOURCE als EMITTER kan gezien worden.
Verder gaat de vergelijking niet, maar het kan helpen om schema’s te kunnen “lezen”.
Bemerk de zin van het pijltje op de gate. Dit zegt ons dat we hier met een “N“-kanaals FET te doen hebben. Een pijltje in de andere zin verwijst naar een ” P“-FET.

Leggen we nu spanningen aan en bekijken we wat er gebeurt:

1 – Merk dat de GATE (“poort” in het Nederlands) negatief is.

2 – De DRAIN is positief gepolariseerd en de SOURCE ligt aan massa.

Stel dat de spanning op de GATE zo groot is, waardoor het veld in het N-kanaal zo groot wordt dat er GEEN stroom kan vloeien. De transistor is dan geblokkeerd.

Verklaring: het veld is zo groot door die negatieve spanning dat het lichaam (N materiaal) als het ware dichtgeknepen is.

Maken we de gate spanning MINDER negatief ten opzichte van de source dan komt er een moment dat het veld niet meer het volledige kanaal beheerst (kanaal wordt niet meer dicht geknepen). Er zal een kleine stroom van de DRAIN naar de SOURCE beginnen vloeien. Belangrijk is in te zien dat de sturing gebeurt onder invloed van een veld en niet meer de stroom zoals bij de gewone transistor gebeurt. Dit betekent dus een zeer hoge weerstand (geen stroom), hetgeen juist de bijzondere eigenschap van de “FET” is.

Bekijken we nu de karakteristiek van de DRAIN spanning :

Merk toch enige gelijkenis met de gewone transistor op. Maar niet enkel de benamingen zijn veranderd: het werkelijke verschil is dat de sturing niet meer doorIb gebeurt maar door eenSPANNING Vgs. (GATE / SOURCE).
Dit is fundamenteel: het sturen van de FET gebeurt met SPANNING.
Bemerk nogmaals dat een niet te grote negatieve spanning op de gate nog stroom doorlaat van drain naar source.

Een paar bemerkingen bij deze karateristiek : (of herhaling)

1 – De spanning op de gate (in ons voorbeeld van 0 tot -3 V) moet negatief zijn opdat een bepaalde stroom door de drain naar de gate zou vloeien. Er moet bijgevolg al een redelijk grote spanning aanwezig zijn om van blokkering naar verzadiging te gaan.

2 – De FET wordt door spanning gestuurd, de ingangsimpedantie is hierdoor zeer groot waardoor er (bijna) geen stroom door de ingangskring vloeit. Die belast een voorgaande kring in de schakeling dus niet.

3 – De karakteristiek van de drain lijkt sterk op die van de collector van een gewone transistor. We merken een saturatiezone en een blokkerings zone. Tussen beide in ligt de normale instelling.

4 – Buiten deze beide zones is de karakteristiek zeer vlak en kan de FET-transistor over een groot gebied lineair gebruikt worden (Vds).

Stromen en spanningen van een FET :

Vgs : spanning tussen gate en source. Dit is de polarisatiespanning van de FET die de sturing van de stroom Id op zich neemt.
Vds : spanning tusssen drain en source, identiek aan het concept Vce

Vgs(blokkage) :Spanning waarbij de transistor geen stroom vanuit de drain laat vloeien.

Id : stroom Drain – source

Idss : Als de gate met de source wordt verbonden of kortgesloten vloeit een maximale stroom (Vgs=0).

Karakteristiek van de transconductantie :

Schrik niet, het gaat om een term gebruikt in een FET-omgeving.

Met de transconductantie-karateristiek kunnen we de stroom van de drain, Id, voor een spanning gate-source, Vgs, bepalen.

Alweer een formule om dit te verduidelijken. Links zie je een figuur om het verband tussen Id en Vgs aan te duiden. We merken dat Vgs bij – 3,5 V zowat de stroom Id tot nul herleidt. Bij 0 (nul) V merken we een stroom ID van 10 mA (Idss bij saturatie).

zie de formule :

Vgs
Id = Idss [ 1 – ___________ ] ²
Vgs blocage

(eerder voor de fijnproevers…)

Nu, over naar de praktijk van de polarisatie van FET transistoren:

Je kan wel denken dat er meerdere manieren bestaan om een FET van een voorspanning of polarisatie te voorzien. We moeten wel rekening houden met zijn specifieke eigenschappen en nadelen.

Een belangrijk nadeel is de onbekendheid van Ids voor een bepaalde Vgs van een FET. De constructeur bepaalt dit verband wel, maar met een grote tolerantie. Dus een zelfde typenummer van FET staat niet garant voor een zelfde gedrag (wel vervelend!).

De polarisatie moet hier rekening mee houden.

Automatische polarisatie :

Cfr. het schema rechts. In de drainkring plaatsen we de weerstand Rd. Rs zien we in de sourcekring en via Rg wordt het massaniveau aan de gate gelegd (geen stroom !!). Voor Rg mogen we aannemen dat er geen stroom vloeit en bijgevolg dat hij aan massa ligt.
Hoe gebeurt nu die polarisatie ?
We weten dat Id van Vgs afhangt, het is dus de spanning aan de source die de polarisatie bepaalt:

(Vgs = Vg -Vs).

Zie het verband Vs, Id en Rs

Stel dat om een of andere reden ook Id wat vergroot. Het gevolg is een stijging over de klemmen van Rs (Vrs= Id x Rs). Dit is een positieve spanning ten opzichte de massa. Dus wordt Vgs negatiever daar Vgs = Vg – Vs. Dit heeft een daling van Id tot gevolg wat eigenlijk de bedoeling was.

Polarisatiekarakteristiek :

De gate ligt aan de massa , dus Vg=0.
De source ligt op potentieel Vs= Id x Rs
De spanning Vgs= Vg – Vs
Vgs = 0 – Id x Rs
Vgs = – Id Rs

Als Vgs=0 dan Id =0
Al Vgs = -1 dan Id = 1V/Rs
Als Vgs = -2 dan Id = 2V/ Rs
enz
We tonen de polarisatie voor de helling -1/Rs.

De figuur rechts verduidelijkt hopelijk hoe de transistor onder het effect van het veld wordt gepolariseerd. Het punt R wordt als volgt ingesteld :

Id = 4 mA

voor Vgs = -1,5 V

(dit is zo maar een voorbeeld).

Het snijpunt: weerstand lijn met Id/Vgs, geeft het instellingspunt.

Een andere vorm van polarisatie: door spanningsdeling en Rs :

Deze werkwijze hebben we reeds bij de gewone transistor gezien.

We bepalen de spanning op de gate ten opzichte van de massa.
R2
Vg= ________ x Vcc
R1 + R2

Nu bepalen we de spanning aanwezig op source Vs
Vs = Vg – Vgs

Nu nog de stroom drain Id
Vg – Vgs
Id = _________
Rs
De spanning op de drain is gelijk aan:
Vd = Vcc – Rd.Id

Ter illustratie, een toepassingsvoorbeeld :

Links ziet je het opzet waarin we de waarden van de stromen en spanningen bepalen, wetende dat Vgs =-1 V zou moeten zijn.

Trachten we Id bepalen, maar eerst bepalen we Vg op de la gate.

Doordat aan die gate twee identieke weerstanden worden gebruikt : Vcc/2 of 6 V.

Volgens de opgave weten we dat Vgs = -1V; we kunnen dan Id bepalen:
Vg – Vgs 6 – (-1)
Id= ____________ = _________ = 1,25 mA
Rs 5600

De spanningsval over Rd:
Urd = Rd x Id = 1000 x 0,00125 = 1,25 V
Wat voor Vds geeft: Vds = Vcc – rdId – RsId = 3,75 V

Wat nu met de FET bij versterking ?
(gemeenschappelijke source)

Zoals de gewone transistor is de FET gemaakt om signalen te versterken. Hiervoor zullen we een vereenvoudigde studie van een gemeenschappelijke SOURCE schakeling gebruiken. (Dit is met de gemeenschappelijke EMITTER schakeling te vergelijken).

Voor de klassieke transistor gebruikten we vereenvoudigde formules. Voor een FET gaan we een andere soort waarde gebruiken, namelijk de reeds vernoemde transconductantie.

De transconductantie genoteerd als verwijst naar de mogelijkheid om via de gatespanning de stroom Id van de source dynamisch te regelen. Ze wordt in Siemens uitgedrukt ( meer bepaald in µS of microS ) en wordt door de producent opgegeven per type FET.
vertegenwoordigt de verandering van Id ten opzichte van Vgs

Hoe groter hoe groter de sturing op Id. is een gegeven voor één bepaalde stroom.
Met andere woorden vergroot met groter stroom Id. De stijlheid van de curve laat dit duidelijk zien. Daarom wordt meestalSTIJLHEID in plaats van TRANSCONDUCTANTIE gebruikt.

De spanningsversterking A bij een FET wordt gegeven door:

Nogmaals, noteer dat de FET een bijzonder mooie eigenschap heeft en dat is de grote ingangsimpedantie (meerdere Mohm)

Hernemen we het voorgaande voorbeeld wetende dat g _m = 3000 µS, dan kunnen we de versterking berekenen (bij nullast of NIET belast).

A = – g_m Rd

A = -3000 10^-6 x 1000 = 3
(duidelijk geen grote versterking)

Indien wenselijk, kunnen we de Rd groter nemen, maar bedenk wel dat dit schema niet op zich alleen staat: erachter volgt nog wat waardoor onze FET-trap ook beïnvloed wordt.

Goed, tot zover de studie van de FET. Het is vooral van belang dat je de werking goed begrijpt alsook de bijzondere eigenschap van dit basiselement, nl. spanningsturing ( in plaats van stroomsturing bij de bipolaire transistor ). Er bestaan nog andere soorten FET’s (MOS, CMoS, GaAs enz), maar verdere details over deze types vallen buiten het bestek van deze cursus.