Sveuciliste J. J. Strossmayera u OsijekuOdjel za matematiku

Marina Ivanisevic

Osnove MOSFET-a

Diplomski rad

Osijek, 2010.

Sveuciliste J. J. Strossmayera u OsijekuOdjel za matematiku

Marina Ivanisevic

Osnove MOSFET-a

Diplomski rad

Predlozen Odjelu za matematiku Sveucilista J. J. Strossmayera u Osijeku radi stjecanjazvanja profesora matematike i fizike

Mentor: doc. dr. sc. Ramir Ristic

Osijek, 2010.

ZAHVALA

Ovaj diplomski rad izraden je pod vodstvom doc. dr. sc. R. Ristica u sklopu Sveucilisnogstudija matematike-fizike na Odjelu za fiziku Sveucilista J. J. Strossmayera u Osijeku

Prilikom izrade diplomskog rada posebno se zahvaljujem mentoru doc.dr.sc.R. Risticu nasvim korisnim savjetima vezanim za izradu diplomskog rada te za strucno vodenje

diplomske radnje.

SADRZAJ

UVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 OSNOVNA SVOJSTVA POLUVODICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 OSNOVNO O PN-PRIJELAZU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1 N i P-vodljivost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Unutarnji napon u PN-spoju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Djelovanje elektricne struje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 DIODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1 Svojstva i vrste dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 Dijagrami MOS diode i potrebne jednadzbe . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Osnovne primjene poluvodickih dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 TRANZISTORI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.1 Opca svojstva tranzistora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2 Osnovni princip rada tranzistora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5 UNIPOLARNI TRANZISTORI ILITRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.1 Osnovna obiljezja i klasifikacija MOSFET-a . . . . . . . . . . . . . . 205.2 Kvantitativne i kvalitativne karakteristike MOSFET-a . . . . . . . . 215.3 MOSFET - mod osiromasenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.4 MOSFET- moguci problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6 PRIMJENA TRANZISTORA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 OBRADA MOSFET-a I FET-a U NASTAVI FIZIKE U SREDNJOJ SKOLI 32ZAKLJUCAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35SAZETAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38ZIVOTOPIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1

UVOD

Na samom pocetku radnje da bi lakse shvatili tranzistore, moramo se prvo upoznati sa polu-vodicima i diodama, njihovim nacinom rada, vrstama te primjenom u svakodnevnom zivotu.Objasnjavam kako radi MOS dioda, od cega je ona gradena te kako izgleda.

Zatim u sredisnjem dijelu radnje, na samom pocetku, upoznajemo se sa opcim svojstvimatranzistora te principom njihovog rada. Svrha ovog dijela je da nas uvede u samu ”srz” rad-nje, a to je primjena i osnovna svojstva MOSFET-a. Zadatak mi je bio objasniti MOSFET,njegove osnove rada, kvalitativna i kvantitativna svojstva.

Te u samom zavrsnom dijelu radnje, objasniti gdje sve mozemo primjenititranzistor sa efektom polja - MOSFET, te na koji nacin danas obradujemo MOSFET i JFETu nastavi fizike u srednjim skolama.

1

1. OSNOVNA SVOJSTVAPOLUVODICA

Poluvodici su materijali (germanij,silicij, arsen, teski metalni oksidi, sulfidi...) kojima suelektricna svojstva razlicita od elektricnih svojstava metala i izolatora. Od vodica, kao stosu metali, poluvodici se razlikuju povecanjem elektricne provodljivosti (specificne vodljivosti)porastom temperature, a pri temperaturama blizu apsolutne nule cisti poluvodici su izolatori.Poluvodici su dobili veliku vaznost u praksi tek posto im je umjetnim putem povecanavodljivost ugradnjom male kolicine stranih atoma (dopiranje poluvodica) u njihovu kristalnustrukturu. Poluvodice dijelimo u dvije skupine, a to su:

• Intrisicni poluvodici

• Ekstrinsicni poluvodici

Intrisicni poluvodici ili cisti poluvodici su poluvodici cija se kristalna resetka sastoji samood atoma jednog elementa, dakle nema nikakvih primjesa ostalih elemenata. Takoder sepretpostavlja da je kristal strukturalno idealan, odnosno da je nastao pravilnim ponavljanjemosnovne geometrijske forme. To zapravo znaci da su svi atomi u normalnim polozajima, teda nemamo atoma u medupolozaju. U stvarnosti je takav kristal teoretska apstrakcija, alipredstavlja vrlo koristan i pogodan model za proucavanje osnovnih svojstava. Kristalnaresetka je oblika:

Slika 1.1: Shematski prikaz dvodimenzionalne projekcije modela kristalne resetke intrinsicnog germanijaili silicija na temperaturi apsolutne nule

2

Ukoliko se kristalna resetka, ciji je dvodimenzionalni model dan prethodnom slikom,zagrije na neku temperaturu T, ona poprima slijedeci oblik:

Slika 1.2: Shematski prikaz dvodimenzionalne projekcije modela kristalne resetke intrinsicnog germanijaili silicija na konacnoj temperaturi s ilustracijom razbijanja valentne veze

Dakle, 4 valentna elektrona rasporedena su izmedu 4 susjedna atoma i udruzena uparove tvoreci kovalentnu vezu. Naboj +4 simbolizira naboj atomskog ostatka, iona. On usebi udruzuje pozitivan naboj jezgre, umanjen za naboj onoliko elektrona koliko ih ima uzatvorenim ljuskama. Pokazimo to primjerom germanija, ciji je redni broj 32, naboj jezgre+32, a naboj elektrona popunjenih ljusaka -28; dakle naboj iona je +4; a on je kompenzirannegativnim nabojem cetiriju valentnih elektrona. Dok naprimjer silicij ima redni broj 14, anaboj popunjenih ljusaka je -10. Kad su sve valentne veze kompletne, svi su valentni elek-troni vezani za svoje atome, ne mogu se gibati kroz kristal, dakle nemaju nosilaca i strujane moze teci.

Ekstrinsicni poluvodici ili primjesni poluvodici nastaju kad elektricna svojstva poluvodica,a to je u prvom redu elektricna vodljivost, ovisi o prisustvu nekog stranog elementa. Teatome stranih elemenata, cesto zovemo primjesama ili necistocama. Necistoce mogu biti ra-zlicite, od velikog znacaja su upravo one koje se namjerno i u tocno odredenoj koncentraciji,pomocu odgovarajucih tehnoloskih postupaka, dodaju siliciju ili germaniju. Ukoliko se do-daju peterovalentne necistoce, nastupaju poluvodici N-tipa, a ukoliko su dodaju trovalentneonda je P-tipa. Objasnimo ih. Poluvodic N-tipa nastaje ako se Ge onecisti ili dozira sapeterovalentnim necistocama, poput dusika, fosfora, arsena itd. pa je shematski prikaz:

3

Slika 1.3: Shematski prikaz poluvodica P-tipa

Cetiri elektrona peterovalentnog elementa necistoce udruzena su u valentne veze sa 4susjedna germanijeva atoma. Peti elektron vezan je uz svoj atom jedino elektrostatskomprivlacnom silom Coulumbovog tipa. Dok poluvodic P-tipa nastaje kad se Ge onecisti ilidozira trovalentnim necistocama, poput bora, aluminija, galija idr. Kristalna resetka kojasadrzi trovalentne necistoce prikazana je shematski:

Slika 1.4: Shematski prikaz poluvodica N-tipa

Trovalentnoj necistoci nedostaje jedan elektron da kompletira valentnu vezu. Ona sekompletira na taj nacin da je popuni valentni elektron iz susjedne veze, cime se proces nas-tavlja. Kada na cvrsto tijelo nije prikljucen napon, gibanje nosilaca elektriciteta je kaoticno,tj. svi smjerovi gibanja su jednako vjerojatni. Ukoliko bi jedan smjer bio favoriziran, to biznacilo da kroz cvrsto tijelo tece struja bez prikljucenog napona, sto je nemoguce. Struja

4

nije nista drugo nego kolicina naboja koja u jedinici vremena prode kroz neki presjek. Elek-tronima zadrzavanje istog smjera gibanja sprecavaju prvenstveno vibracije atoma kristalneresetke, koje su kod konacne temperature uvijek prisutne. Isto tako, uzrocnik protjecanjastruje moze biti i difuzija. Ona je vazna pojava u fizici, a dolazi uvijek do izrazaja kadakoncentracija cestice nije konstanta, nego se u prostoru mijenja. Te cestice mogu biti cesticeplina, a mogu biti i nosioci kao elektroni i supljine. Primarna pojava ovdje je ta da difuzijushvatimo kao uzrocnika struje.

5

2. OSNOVNO O PN-PRIJELAZU

2.1 N i P-vodljivost

Kod poluvodica se razlikuje vodljivost koju im daju negativni naboji ili elektroni, tzv.vodljivost tipa N ili negativna vodljivost, od vodljivosti koju uzrokuju pozitivni naboji, a toje vodljivost P tipa ili pozitivna vodljivost. Kombiniranjem gibanja negativnih i pozitivnihnaboja nastaje struja. Takva se vodljivost zove vlastita vodljivost poluvodica.

Ili drugim rijecima: Ako se suprotni krajevi silicijeva kristala prikljuce na elektricni izvor,kroz kristal protece struja. Nositelji struje su pritom slobodni elektroni i supljine. Slobodnielektroni gibaju se prema pozitivnom polu izvora, slicno gibanju slobodnih elektrona umetalu. Vodljivost zbog gibanja slobodnih elektrona u kristalu zove se N-vodljivost.Elektricno polje uzrokuje uzastopne male skokove jednog po jednog elektrona do susjednesupljine. Pri svakom takvom skoku elektrona u smjeru pozitivnog pola izvora supljina se po-makne u suprotnom smjeru, tj. u smjeru negativnog pola izvora. Zato se taj proces vodenjaelektricne struje uzastopnim malim skokovima niza elektrona jednostavno opisuje ovako:Supljina se u silicijevu kristalu giba u smjeru negativnog pola izvora napona. Vodljivostzbog gibanja supljina naziva se P-vodljivost.Vodenje struje u poluvodicu opisujemo pomocu gibanja supljine zato jer je jednostavnijepratiti gibanje jedne supljine nego mnogo elektrona koji jedan za drugim skacu od atoma spotpunim kovalentnim vezama do atoma s trenutnim manjkom jednog elektrona u kovalent-noj vezi. Supljine se gibaju kao slobodni pozitivni naboji. Tako da, kada neka supljina podutjecajem elektricnog polja izvora stigne do metalnog prikljucka spojenog na negativni polizvora, nastane rekombinacija: u tu supljinu uskace neki slobodni elektron iz izvora.

2.2 Unutarnji napon u PN-spoju

Promatramo kristalnu strukturu P-poluvodica i N-poluvodica u PN-spoju da vidimo kakonastaje unutrnji elektricni napon. Na pocetku uzmemo dvije odvojene plocice P-poluvodicai N-poluvodica. Obje su elektricno neutralne. U N-poluvodicu broj je donorskih slobod-nih elektrona jednak broju nepokretnih pozitivnih iona donora. U P-poluvodicu broj jeakceptorskih supljina jednak broju nepokretnih negativnih iona akceptora. Donorski slo-bodni elektroni gibaju se nasumce unutar N-poluvodica, a akceptorske supljine unutar P-poluvodica. Naprotiv, pozitivni ioni donora ostaju nepokretnim, vezani za svoja mjestau kristalu N-poluvodica, a negativni ioni akceptora u kristalu P-poluvodica. No, kada sespoje N-poluvodic i P-poluvodic, zbog nasumicnog gibanja neki donorski slobodni elektroniulijecu iz N-poluvodica u podruce P-poluvodica. I obratno, neke akceptorske supljine izP-poluvodica ulijecu u podrucje N-poluvodica. Oba primjera su shematski prikazana:

6

Slika 2.5: Kad se P i N-poluvodic spoje, dolazi do difuzije slobodnih elektrona iz N u P-podrucje i supljinaiz P u N-podrucje, dolazi do rekombinacije u dodirnom sloju.

Medutim, donorski slobodni elektroni prodiru samo malo u P-poluvodic jer nalete nasupljinu pa nastane njihova rekombinacija. Na tome mjestu uspostavi se kovalentna veza. Naslican nacin supljina iz P-poluvodica prodire samo malo u N-poluvodic jer tamo ubrzo naletina donorski slobodni elektron te nastane njihova rekombinacija. Zbog svih tih rekombinacija,odmah nakon spajanja N-poluvodica i P -poluvodica u tankom granicnom sloju oko dodirneplohe zacas isceznu i slobodni elektroni i supljine. Taj granicni sloj u kojem nema slobodnihnositelja naboja zove se zaporni sloj.

2.3 Djelovanje elektricne struje

Promatramo kako djeluje elektricno polje kada PN-spoj ukljucimo u strujni krug. Koris-timo se pojednostavljenim shematskim prikazom, u kojem su dani slobodni nositelji naboja,slobodni elektroni i supljine.

Slika 2.6: P-N spoj prije ukljucivanja u strujni krug. Radi jednostavnosti shematski su prikazani samoslobodni nosioci naboja, elektroni i supljine.

7

PN-spoj ukljucen u strujni krug u nepropusnom smjeru :

P-poluvodic prikljucen je na negativni, a N-poluvodic na pozitivni pol elektricnog izvora.

Slika 2.7: P-N spoj prikljucen u strujni krug u nepropusnom smjeru.

Pritome elektricno polje djeluje u zapornom sloju u istom smjeru kao i dodirno elektricnopolje. Posljedica je toga da se zaporni sloj, u kojem nema slobodnih nositelja naboja, josvise siri. Buduci da u tom podrucju nema slobodnih nositelja naboja, struja ne moze teci.Dakle: kada je PN-spoj ukljucen u strujni krug u nepropusnom smjeru (N-poluvodic na +pol izvora, a P-poluvodic na - pol) stvara se sirok zaporni sloj bez slobodnih nositelja naboja.Pritome PN-spoj djeluje kao izolator.

PN-spoj ukljucen u strujni krug u propusnom smjeru :

Promatramo primjer kada je PN-spoj ukljucen u strujni krug tako da je P-poluvodicprikljucen na pozitivni, a N-poluvodic na negativni pol elektricnog izvora.

Slika 2.8: P-N spoj prikljucen u strujni krug u propusnom smjeru.

Tada elektricno polje izvora struje djeluje u zapornom sloju u suprotnom smjeru oddodirnog elektricnog polja. Ako napon premasi odredenu vrijednost, tada elektricno poljeizvora prevlada nad djelovanjem dodirnog elektricnog polja. Zaporni sloj sada nestaje, pase slobodni elektroni gibaju iz N-poluvodica u P-poluvodic, a supljine iz P-poluvodica u N-poluvodic. Na taj nacin struja prolazi kroz granicnu plohu. Buduci da se slobodni elektroni i

8

supljine gibaju u suprotnim smjerovima, na njihovom putu nastaje rekombinacija. Djelovan-jem elektricnog izvora u N-poluvodic stalno ulaze novi slobodni elektroni, a u P-poluvodicustalno nastaju nove supljine, pa jakost struje ostaje jednaka. Dakle: kad je PN-spoj ukljucenu strujni krug u propusnom smjeru (N-poluvodic na -, a P-poluvodic na + pol izvora) zapornisloj nestaje i pritome PN-spoj djeluje kao vodic.

9

3. DIODE

3.1 Svojstva i vrste dioda

Dioda je najstarija i najjednostavnija elektronska cijev. Pronasao ju je Fleming 1904.godine. Sastoji se od dvije elektrode, katode i anode, smjestene u metalnoj ili staklenojposudi. Dioda ima zarenu katodu, koja emitira elektrone, dok anoda ima svrhu skupljanjatih emitiranih elektrona. Katoda stoga moze biti direktno ili indirektno zarena, razlika jejedino u zarnom vlaknu. Kod direktno zarenih katoda vlakno koje se zari je ujedno i emiterelektrona, dok kod indirektno zarenih katoda zarno vlakno je elektricki izolirano od katode,odnosno ono ima funkciju da temperaturu katode podigne na potreban iznos.

Slika 2.9: Primjer diode

Nakon cijevnih dioda u upotrebu su usle poluvodicke diode. Prema izvornom materijaluod kojeg su poluvodicke diode izradene razlikujemo germanijske i silicijske diode, a premaobliku PN prijelaza tockaste i slojne diode. Postoje jos i svjetlece ili LED diode, Z ili zenerdiode, te nama najvaznije MOS diode itd.

Germanijskim diodama glavni element je, kao sto samo ime kaze germanij. Tockaste germani-jske diode upotrebljavaju se kao ventilski spoj ciji je kontakt ostri metalni vrh na povrsinikristala. Kod slojnih germanijskih dioda svi parametri odredeni su svojstvima izvornog ger-manija. No, u odnosu na tockaste diode, oni se razlikuju po velicini zaporne struje, probojnognapona i kapacitetu.

10

Silicijske diode kao izvorni element koriste silicij. Tockaste silicijske diode izraduju se poistoj tehnologiji kao i germanijske, a upotrebljavaju se u podrucju frekvencija do 600 MHz,za napone do 150 V i struje do 100 mA pri temperaturama okolisa od - 60C do + 150C. Slojnesilicijske diode, po nacinu rada ne razlikuju se od germanijskih, ali ih mozemo izradivati porazlicitim tehnoloskim postupcima. Upotrebljavaju se u podrucijima frekvencija do 50 kHzpri temperaturama od - 60C do + 150C, za zaporne napone od 1500 do 2000 V i propusnestruje od 1000 mA pri padu napona u propusnom smjeru od 1,0 do1,5 V.

LED diode izvor su svijetla koji se upotrebljava umjesto zarulje. Njihova prednost je tasto se mogu upotrijebiti u izmjenicnim naponu, one su poluvodicke, od galiumarsenida. Doksu Z diode posebno razvijene za stabilizaciju napona. To su Si diode sa posebnim oblikomzapornog dijela karakteristike.

Posebno nama zanimljive diode su upravo MOS diode ili drugim imenom metal-oksidna(izolator)-poluvodicka dioda. Prva dioda je nastala 1959. godine (Moll, Pfann i Garret). Idealna MOSdioda je definirana prema slijedecem:

• Razlika izmedu energija metala i poluvodica jednaka je 0 sto je ekvivalentno tome daoni zajedno kad rade nemaju naboja

• Jedini naboj koji moze postojati u strukturi MOS diode je onaj u poluvodicu i onajna suprotnoj strani metalne povrsine, u izolatoru

Slika pokazuje MOS diodu sa naponom koji je spojen na metalni kontakt na vrhu.

Slika 2.10: Idealna MOS dioda

11

Promatrat cemo 3 nacina rada, a to su :

• osiromasenje

• inverziju

• akumulaciju (nakupljanje)

Promotrimo prvo osiromasenje-donirali smo mali negativni potencijal na vrh metalnog kon-takta, gdje smo na sam kontakt stavili mali negativni napon. Oksidni slojevi sprecavajutok struje ali se utjecaj negativnog napona osjeti u elektronima u N-tipu. Negativni nabojipokusavaju potisnuti slobodne elektrone u podrucje ispod glavnog kontakta sto pokazuje islika, stvarajuci podrucje osiromasenja. Ovo je isti oblik iscezavanja kao sto smo vidjeli kodP-N prijelaza. Pogledajmo sto ce se desiti ako MOS diodu pustimo da bude u podrucjuosiromasenja. Pustimo nositelje naboja daleko od povrsine i odmah povecamo separacijukondenzatora. Zasto? Jer je poluvodic koji je u podrucju osiromasenja poput dielektrikapa izgleda kao da smo oksidne slojeve prosirili. Kapacitet MOS diode je kao i kapacitetplocastog kondenzatora razdvojenog oksidnim dielektrikom.Takav oblik mozemo izracunati.

COX = εOX ∗A

dOX

gdje je COX kapacitet kondenzatora; A povrsina ploca; dOX debljina oksidnih slojeva i:

εOX = ε0 ∗ εr(OX)

gdje je εOX permitivnost oksida; ε0 permitivnost vakuuma; εr(OX) relativna permitivnostoksida

Eksperimentalno smo otkrili da ne mozemo stalno cuvati negativni potencijal na vrhukontakta i gurati osiromaseno podrucje sve dublje u poluvodic. S vremenom, postat ce en-ergetski povoljan za supljine koje se skupljaju na povrsini oko oksid-poluvodica. Zbog cegaovaj uvjet nazivamo - inverzija.

I zadnji stanje je akumulacija - Za N-tip poluvodica sa prethodne slike to znaci da cemoprimijeniti pozitivni potencijal na glavnu elektrodu. Pozitivni naboj ce ”napasti” vecinunositelja negativnog naboja sto ce dovesti do akumulacije na povrsini oksid-poluvodica.Slijedeca slika pokazuje moguce C-V karakteristike za oblik diode o kojoj smo upravo pricali.

12

Slika 2.11: C-V karakteristika

3.2 Dijagrami MOS diode i potrebne jednadzbe

Promatrajmo strukturu MOS diode koristeci P-tip podlogu, sa malim pozitivnim naponom,primjenjenim na vrh metalne elektrode. Znamo da ce nas to dovesti do osiromasenjavecinskih nositelja i supljina na povrsini oksid-poluvodica. To je pokazano na slici a), dokna slici b) imamo potrebni dijagram.

Slika 2.12: MOS dioda osiromasenja

Sa primjenjenim pozitivnim potencijalom, Fermijev nivo u metalu pada dolje kao sto jevidljivo sa slike. Promjene naboja vidljivi su sa slike c). Negativni donori -qNAW izjednaceni

13

su sa pozitivnim QM na metalnoj elektrodi. Sirina podrucja osiromasenja je W, a mozemoi primjetiti da je Fermijev nivo u poluvodicu ravan i horizontalan, kao sto ocekujemo. Akopovecamo pozitivni potencijal metalne elektrode na vrijednost iznad VT , povrsina poluvodicace invertirati i inverzni sloj ce izaci na povrsinu. Slika predstavlja MOS diodu u inverznommodu:

Slika 2.13: MOS dioda u inverziji

Sa porastom pozitivnog potencijala Fermijev nivo je potisnut sve dublje u povrsinu.Koncentracija elektrona kao funkcija EF − Ei dana je jednadzbom:

n = ni ∗ exp(EF − Ei

kT)

kako je EF − Ei > 0 tada je i n > ni i p < ni

Slika 2.13. pod c) pokazuje pozitivni dio metalne elektrode naboja QM koji je u ravnotezisa negativnim inverznim slojem:

QM = qNAW +Qn

I zadnja situacija koju promatramo u ovom poglavlju je - akumulacija. Za negativni poten-

cijal koji se nalazi na vrhu metala dana je slika:

14

Slika 2.14: MOS dioda u akumulaciji

Fermijev nivo u metalu raste. Nema struje da tece kroz oksid, kao u ostalim slucajevima,takoda Fermijev nivo u poluvodicu ostaje isti. Jednadzba nam pokazuje kako vecina nosilacaprenosi koncentraciju p:

p = niexp(Ei − EF

kT)

Kako koncentracija raste, tako raste i gustoca. Rast koncentracije na povrsini sa porastomnegativnog potencijala naziva se akumulacija.

3.3 Osnovne primjene poluvodickih dioda

Ako se plocica P-poluvodica spoji sa plocicom N-poluvodica, dobiva se PN spoj. PN spojtakoder se zove i poluvodicka dioda. Imamo tri osnovne primjene dioda:

• Ispravljanje- ispravljac pretvara izmjenicni napon, odnosno struju u istosmjerni.

• Ogranicavanje- kada je potrebno ograniciti raspon promjene napona, koristimo se tzv.diodnim ogranicavanjem. Zahvaljujuci diodi D, izlazni napon ne moze premasti vrijed-nosti od + 5,6 V, uz uvijet da dioda nema utjecaja na nize vrijednosti njezina probnognapona. Za dvostruko ogranicavanje napona primjenjuje se diodni ogranicavac kojigranici napon na + 0,6 ili - 0,6 V.

• Zastita- prigodom brzog iskljucivanja kruga u koji je prikljucen induktivitet, te zbognjegovog svojstva, moze se inducirati vrlo visoki napon. Ako se u krugu koristi elek-tronicki element, npr. tranzistor, nastali prenapon moze se ponistiti tako da paralelnoinduktivitetu spojimo zastitnu diodu.

Poluvodicke diode imaju vise primjena, a rabimo ih kao ispravljac, solarnu celiju, svijetlecediode, poluvodicke lasere, kao detektor ionizirajuceg zracenja,kapacitivne diode.

15

4. TRANZISTORI

4.1 Opca svojstva

Slika 2.15: Tranzistor

Tranzistor je poluvodicki element koji vrsi pojacanje i generiranje razlicitih vremenskihoblika, poput triode i drugih viseresetkastih cijevi.Pronaden je 1948. godine, a pronasli su ga Bordeen i Brattain. Na pocetku je to bio tockastitranzistor, koji je svojom konstrukcijom slijedio tockastu diodu. Zbog cestih nestabilnosti,teskoca oko dobivanja slicnih karakteristika za razlicite primjere istog tipa tranzistora, stoje ujedno bio i rezultat nedovoljnog poznavanja njihovog rada, takve tranzistore vise nekoristimo.Stvarni razvoj tranzistora datira iz 1949. godine, kada je Shockley iznio princip rada spojnihtranzistora koji mogu biti N-P-N ili P-N -P tipa. Oni se nadovezuju na razvoj P-N dioda, anjihov shematski prikaz izgleda ovako:

16

Slika 2.16: Shematski prikaz i simbol tranzistora: a) P-N-P i b) N-P-N tipa

A 1956. godine, za svoja otkrica na podrucju fizike, Shockley, Bordeen i Brattain zajednodobivaju Nobelovu nagradu za fiziku.

Tranzistor je stoga elektronicki element sa tri elektrode, koje zovemo emiter E, baza B ikolektor C. Rad spojnih tranzistora zasniva se na:

• injekciji nosilaca, sto obavlja propusno polariziranu barijeru - emiter baza

• transportu tih nosilaca kroz bazu, te

• skupljanju (kolekciji) kroz nepropusno polariziranu barijeru - kolektor baza

Za rad P-N-P ili N-P-N tranzistora bitno je prisustvo obaju tipova nosilaca, tj. predstavljajubipolarni tranzistor. No, postoje i tranzistori kod kojih je uloga manjinskih nosilaca bezznacenja za osnovne principe njihovog rada. Njih zovemo unipolarni tranzistori. Velikavecina sadasnjih tranzistora su spojni P-N-P ili N-P-N tranzistori, odnosno bipolarni. Dokunipolarni tranzistori, o kojima ce vise biti rijeci u slijedecem poglavlju, dobivaju sve visena vaznosti. Razlog toga je njihova povoljnija primjena od bipolarnih tranzistora, a njihovsve cesci naziv je tranzistor sa efektom polja, odnosno MOSFET i JFET.

17

Njihova podjela:

Slika 2.17: Tipovi tranzistora

18

4.2 Osnovni princip rada tranzistora

Na slici imamo prikazan shematski P-N-P tranzistor sa izvorima napajanja koji osiguravajunormalnu polarizaciju.

Slika 2.18: Normalna polarizacija P-N-P tranzistora u spoju zajednicke baze

Spoj emiter-baza propusno je polariziran, a spoj kolektor-baza nepropusno. Pretpostavl-jeno je da je baza zajednicka elektroda, tada ce krug emiter-baza biti ulazni, a kolektor-bazaizlazni. Zbog toga takav spoj zovemo spoj sa zajednickom bazom. No, naravno to nije jedinimoguci osnovni spoj tranzistora. Mnogo cesci je spoj u kojem je emiter zajednicka elekrodaulaznog i izlaznog kruga, pa takav spoj zovemo spoj sa zajednickim emiterom. Osim ove dvijevrste spojeva, cesto se koristi i spoj sa zajednickim kolektorom. Medutim, kod rada svih trijuosnovnih spojeva, dioda emiter-baza polarizirana je propusno, a dioda kolektor-baza nepro-pusno. Postojali su mnogi pokusaji da se pomocu elektronickog polja upravlja prolaz strujekroz poluvodice te na taj nacin postigne efekt pojacanja. Upravo ti pokusaji uvode nas uglavnu temu ovog rada, a to su tranzistori sa efektom polja ili unipolarni tranzistori. Premanacinu rada razlikujemo dvije vrste tranzistora sa efektom polja:

• spojni tranzistor sa efektom polja ili JFET

• tranzistor s efektom polja i izoliranom upravljackom elektrodom ili MOSFET

JFET je izraden tehnikom difuzije u obliku tankog, slabo vidljivog kanala, koji se nalaziizmedu dvaju iznimno vodljivih podrucja poluvodica suprotnog tipa vodljivoti te MOSFETkoji je izveden u planiranoj tehnici, koristi se silicijem kao osnovnim materijalom i silicij-dioksidom za izolaciju upravljacke elektrode.

19

5. UNIPOLARNI TRANZISTORIILI TRANZISTORI S EFEKTOMPOLJA

5.1 Osnovna obiljezja i klasifikacija MOSFET-a

Slika 2.19: Ilustracija osnovne ideje unipolarnog tranzistora

Tanki sloj poluvodickog materijala (4)nanesen je na podlogu izolatorskog materijala (5).Poluvodic je ukljucen u strujni krug pomocu metalnih prikljucaka (1) i (2). U neposrednojblizini paralelno sloju poluvodica, smjestena je metalna elektroda (3) koja zajedno s njimtvori plocasti kondenzator. Ukoliko je izmedu elektroda (1) i (3) prikljucen napon, postojatce izmedu ploca elektricno polje. Ono ce, ovisno o svojoj jakosti, povecavati ili smanjivatikolicinu naboja u poluvodicu, a na taj nacin ce se povecavati ili smanjivati njegova vodljivost.Buduci da se u ulaznom krugu (1,3) ne trosi snaga, moguce je njeno pojacanje u izlaznomkrugu (1,2).

Ukoliko su velicine izmedu ploca kondenzatora i relativne konstante dane u jedinicama MKSsustava, onda je jedinica za gustocu As/m2. Na granici izmedu izolatora i poluvodica dolazido diskontinuiteta elektricnog polja te ono zavrsava ( ponire ili izvire ) na induciranomnaponu uz povrsinu poluvodica. Shockley i Pearson su 1948. godine eksperimentirajuci sagermanijem kao poluvodickim materijalom, prema ideji prikazanoj na prethodnoj slici, uocilida je vodljivost povecana za 10 posto od iznosa koji se dobije prema danoj formuli.Bordeen je na osnovu toga pretpostavio da je dominantan dio induciranog napona biozarobljen na povrsini u povrsinskim energijskim stanjima. Upravo zbog toga eksperimenta

20

javlja se sve manje zanimanje za tranzistore sa efektom polja, cija vodljivost ovisi o svo-jstvima povrsine poluvodica. Da bi izbjegao poteskoce, Stockley 1952. godine daju idejute razraduje osnovnu teoriju drugog tipa tranzistora JFET ili junction field-effect transis-tor. Osnovna razlika izmedu tih tranzistora je u struji koja se sastoji od vecinskih nosioca.Moguce je uociti da tranzistori sa efektom polja imaju daleko veci ulazni otpor od bipolarnogtranzistora, sto je u mnogim primjenama velika prednost.Tako je ulazni otpor MOSFET-aravan ulaznom otporu najboljih elektronskih cijevi.

Takoder osnovne oznake za elektrode daje Shockley. Elektrodu S (source) naziva uvod,a elektrodu D (drain) odvod, dok elektrodu G (gate) naziva upravljackom elektrodom. Up-ravo zbog toga krug upravljacka elektroda-uvod naziva ulazni krug, a krug odvod-uvod jeizlazni krug.

5.2 Kvantitativne i kvalitativne karakteristike MOSFET-

a

MOS dioda, koju smo prethodno obradili,cini strukturu MOSFET-a sto nam pokazuje i samaslika:

Slika 2.20: N-tip MOSFET-a

Ono sto smo zvali metalnom elektrodom kod MOS diode, ovdje ozncavamo s G (gate)i nazivamo upravljackom elektrodom. I upravo taj karakteristicni MOSFET je N-kanalni,obogaceni mod. Objasnimo na kakvom principu on radi...Slika pokazuje MOSFET koji je prikljucen na dva izvora, jedan na uvodu-odvodu, a drugina upravljackoj elektrodi.

21

Slika 2.21: N-tip MOSFET-a

Izvor je izoliran od odvoda, struje ne teku. Ako primjenimo pozitivan napon premaupravljackoj elektrodi, te ga povecamo iznad ulaznog napona, oblikovat cemo elektronickuinverziju na upravljackoj elektrodi. Upamtimo da se inverzni sloj u MOSFET-u oblikujemnogo lakse nego u MOS diodi. I upravo ce taj inverzni sloj omoguciti struji da tece jerce se spojiti uvod sa odvodom. I kako napon raste na upravljackoj elektrodi, dobiva sevise naboja u inverznom sloju i mnogo vise struje protece uvodom i odvodom, a to je iglavni razlog zasto je ovo oblik obogacenog mod uredaja. MOSFET mozemo koristiti kaoprekidac, uredaj se ponasa kao bipolarni tranzistor. Kako je ponasanje MOSFET-a slicnoBJT mozemo pretpostaviti i slicne U-I karakteristike. Ali te slicnosti izmedu MOSFET-ai BJT su samo povrsinske. Ako gledamo malo vise u dubinu, mozemo vidjeti da se radi odva posve razlicita uredaja. Pa cemo upravo te karakteristike i objasniti, ali malo vise safizikalne strane.

Kvalitatitvne karakteristike

Promatrat cemo ih bez matematickih formula, a kada dobijemo odgovarajucu sliku,posvetit cemo se i formulama. Cilj ovog dijela je upoznati se sa kvalitativnim U-I karakter-istikama MOSFET-a,pokazanim na slici:

22

Slika 2.22: U-I karakteristike za N-tip MOSFET-a

Vec smo saznali da su problemi zasicenosti, kada govorimo o MOSFET-u potpuno ra-zliciti nego problemi zasicenosti ako je rijec o bipolarnim tranzistorima. Slika pokazujepovecanje moda, oblik N-tipa, koji djeluje linearno. Imamo nesto vise ulaznog napona (VT )na upravljackoj elektrodi pa je stvoren inverzni sloj. Za male uvod-odvod napone, inverznisloj ponasa se poput obicnog izdrzljivog materijala, pa su U-I karakteristike ocekivano niske.Slika pokazuje MOSFET u trenutku kada se zasicenost treba dogoditi.

Slika 2.23: N-tip MOSFET-a u trenutku zasicenja

Ono sto se ovdje dogada potrebno je detaljno objasniti. Sa VD(SAT ) oznacili smo kanalninapon i to u trenutku kada se treba dogoditi saturacija. Ako se napon priblizi (VG − VT )nece biti dovoljno pada napona preko oksida u kanalu da bi se odrzalo inverzni sloj zbogcega ce on nestati u tome trenutku. Pa ako je uvod na nuli, potencijal ce jos uvijek imatipotpuni pad napona preko oksida na kraju uredaja. Pretpostavljajuci linearan pad napona,duz inverznog sloja, jasno je da ce debljina inverznog sloja linearno varirati kao sto dijagram

23

i pokazuje. Mozemo uociti da podrucje siromasenja postoji u P-poluvodicu blizu odvoda,cak i u inverznom sloju kada imamo ”pinch off” napon na odvodu. Ono sto i nije tako ocitoje zasto struja (ID(SAT )) i dalje tece? Pa pokusajmo i to objasniti. Slijedeca slika pokazujeMOSFET kada je VD > VD(SAT ).

Slika 2.24: N-tip MOSFET-a u saturaciji

”Pinch off” podrucje pomice se prema izvoru MOSFET-a, a potencijal se na tom mjestune mjenja, ostaje isti. Pa dobivamo malo podrucje izmedu kraja inverznog sloja i odvodatzv. osiromaseni sloj. Iako ovo podrucje osiromasenja postoji ono ne stvara prepreku pro-toku elektrona od izvora do odvoda. Protok nositelja nije blokiran. Pogledajmo detaljnijesituaciju koju imamo u MOSFET-u. Osiromaseno podrucje koje se proteze kroz MOSFETje obicno jako malo, a to ukazuje na to da je elektricno polje jako veliko. Elektricno poljeubrzava elektrone iz inverznog sloja u odvod. I upravo to polje koje djeluje na elektroneje toliko veliko da elektroni postizu odredenu brzinu. Ako se vratimo na danu jednadzbustruje:

Id = nAνdq

Ako brzina saturira (νd = νSAT ) tada i struja saturira (Id = ISAT ) gdje n (gustoca elektrona)ostaje isti. Gustoca elektrona koju promatramo je gustoca koja stize u ”pinch off” tocku saizvora:

Id = nAνdq

ako iskazemo danu brzinu preko elektricnog polja, dobivamo:

Id = nAµnEq

24

gdje je µn mobilnost elektrona, a E elektricno polje duz inverznog sloja. Pa ako bi zamjenilielektricno polje duz inverznog sloja sa padom napona duz inverznog sloja:

Id =nAµnVpoq

L

gdje je Vpo sada potencijal na inverznom sloju, a L duljina inverznog sloja. Ova jednadzbapokazuje da ako je Vpo konstanta tada je i Id, pokazuje takoder da ako se L povecava, strujace se smanjivati. Da bi smanjili kompliciranje postavimo napomenu. Dakle, ako bi duljinainverznog sloja L postala vrlo velika te usporedujuci je sa bilo kojim promjenama u duljiniuzrokovane sa VD tada kanalna struja ne bi rasla i imali bi struju zasicenja. Ali ako bi s drugestrane napravili MOSFET velike brzine tada bi napravili uredaj sa vrlo kratkom duljinomupravljacke elektrode (G). Pri tome obicno se misli da je duljina upravljacke elektrode (G)MOSFET-a oko 1µm ili manje.

Kvantitativne karakteristike ”threshold napona”

Prvo cemo promatrati N-kanalni tip MOSFET-a u linearnom podrucju gdje je VD mali.Za napone upravljacke elektrode preko zasicenih napona, naboj po jedinici povrsine u in-verznom sloju iznosi:

Qn = −COX(VG − VT )

za VG > VT , odnosno:Qn = 0

za VG < VT .

Pogledajmo sliku:

Slika 2.25: N-tip MOSFET-a u linearnom podrucju

Otpor kanala ce rasti kako se VG snizava jer se snizava i Qn. Ako okrenemo z os u papir,a duljina kanala je L, tada:

ID = AσE = (zx)nqµnE

25

gdje je σ vodljivost kanala, i koristili smo jednadzbu:

Jx = σxEx

koja kaze da je gustoca struje proporcionalna produktu vodljivosti i elektricnog polja. Akouvrstimo naboj inverznog sloja po jedinici povrsine dobivamo:

ID = z(−Qn)µn ∗ E

odnosno ako primjenimo jednadzbu sa samog pocetka na kraju dobivamo jednadzbu za strujukanala u linearnom podrucju:

ID =zµnCOX(VG − VT )VD

L

A iz ove jednadzbe mozemo izracunati vodljivost kanala u linearnom podrucju. Zatimvodljivost kanala je dana sa:

gD =∂ID∂VD

|V g

(**) tj.:

gD =zµnCOX(VG − VT )

LAko sada povecamo VD, doci cemo do ”pinch off” tocke kao sto je vidljivo na slici:

Slika 2.26: N-tip MOSFET-a u podrucju zasicenja

Pretpostavljajuci da tece struja zasicenja, vrijedi:

VD(SAT ) = VG − VT

ID = COX(VG − VT )

2µn

(VG − VT )

Ltj.:

ID(SAT ) =z ∗ µnCOX(VG − VT )2

2L

U slucaju zasicenja provodljivost kanala koja je dana sa (**) jednaka je 0.

26

5.3 MOSFET - mod osiromasenja

Slika prikazuje osnovnu strukturu oba tipa MOSFET-a, dakle i N i P-tip MOSFET-a.

Slika 2.27: MOSFET-mod osiromasenja

Objasniti cemo sliku pod a), N-tip uredaja. Vidjet cemo da je upravo taj nacin praznjenjanapravljen pomocu vodljivog kanala izmedu uvoda i odvoda. Ako postoji vodljivost kanala,praznjenje MOSFET-a javljat ce se izmedu uvoda i odvoda bez primjenjenog napona premaupravljackoj elektrodi. Tako kod N-tipa treba primjeniti napon kako bi uredaj mogli ugasiti.Upravo zbog toga bi rad ovoga tranzistora trebao biti potpuno jasan. Jedino sto bi trebaliobjasniti je tocka iscezavanja kanala sa porastom VD. Slika pokazuje sto se desava kod uvodai odvoda.

Slika 2.28: Osiromaseni mod MOSFET-a u podrucju zasicenja

Bez napona na G, ako je veliki pozitivan napon na D, podrucje osiromasenja je kao nadijagramu. Dobivamo ocekivani pad napona od uvoda do odvoda. Kako je jako tesko pamtitisve oblike uredaja na slici su dana sva 4 oblika MOSFET-a i njihove U-I karakteristike.

27

Slika 2.29: N-tip i P-tip MOSFET-a u podrucju zasicenja

Slika 2.30: N-tip i P-tip MOSFET-a u podrucju iscezavanja

28

5.4 MOSFET- moguci problemi

Svrha ovoga poglavlja je vidjeti koji sve problemi mogu zadesiti MOSFET ako smanji svoju”velicinu”. Htjeli bi smanjiti vrijeme prolaza nositelja naboja od izvora do odvoda. Aslijedeca slika upravo to i pokazuje:

Slika 2.31: Efekt kratkog kanala

Za dugacki kanal sirina kanala nije signifikantna. Kod kratkog kanala vec se javlja prob-lem. Kada je suma sirina osiromasenog sloja izvora i odvoda jednaka duljini kanala, slojeviosiromasenja se udruzuju. Vrata vise ne kontroliraju protok kanala. Drugi vazan problemkod pravljenja malog MOSFET-a nazvan je ”vruci elektroni”. Kako su dimenzije uredajasmanjene, elektricno polje postaje vrlo veliko, a ono onda moze ubrzati nositelje do visokihenergija. Logicno rjesenje ovakvih problema je redukcija svih dimenzija i napona za istifaktor, κ, tako da elektricno polje bude istog reda velicine kao za duzi kanalni uredaj. Papokusajmo provesti zamisao.Prvo kapacitet oksida je:

COX =εSi

dOX/κ= κC ′

OX

Kapacitet vrata je:

C ′OXA = (κC ′

OX)L

κ

z

κ=C ′

OXA

κF

gdje je L duljina vrata; a z sirina vrata. Za kanalnu saturaciju struje vrijedi:

ID = (z

κ)µnκC

′OX

2L/κ

(VG − VT )2

κ2A

Ali za gustocu struje vrijedi:

JD(SAT ) =ID(SAT )

A= κJD(SAT )

29

Mozemo procijeniti vrijeme proleta elektrona na slijedeci nacin:

ttr =L

νsat

(s)

a maksimalna frekvencija rada:

fT =νsat

L/κ= κfT (Hz)

Ako bi prosli kroz sve dane probleme ovim tokom, jedini problem bi nam zadavala saturacijatrenutne gustoce jer s njom dolazimo do elektromagnetskog problema, a o njemu nekomdrugom prilikom.

30

6. PRIMJENA TRANZISTORA

Tranzistori se izraduju razlicitim tehnologijama kojima se postizu razlicita svojstva. Po-javljuju se kao pojedinacni elementi, a nalaze se i integrirani u slozenije komponente ost-varujuci sa drugim elektronickim elementima sklopove sa definiranim funkcijama. U stru-jnom krugu njihovo djelovanje svodi se na upravljanje strujom nekog trosila. Promjena testruje sluzi u informacijske svrhe ili su u funkciji upravljanja dijelom trosila. Ponasanjetranzistora u strujnom krugu ovisi o nacinu spajanja izvoda u strujni krug. Ovisno o tomekoji je izvod zajednicki za ulazni i izlazni krug, moguci je spoj sa zajednickim emiterom,kolektorom i bazom kod BJT ili zajednickim izvorom, vratima i ili odvodom kod MOSFET-aili JFET-a. Tranzistori se obicno nalaze u dvije osnovne primjene, u funkciji uklapanja i iskla-panja te u funkciji pojacavanja. Funkcija sklopke koristi se pri upravljanju energijom trosilai u digitalnoj tehnici, a funkcija pojacanja u razlicitim pojacalima. Zahvaljujuci svojstvuda promjena jakosti bazne struje uzrokuje proporcionalnu promjenu mnogo jace kolektorskestruje, tranzistor se rabi kao pojacalo. U mikrofonu se zvuk pretvara u elektronicki signal,koji se ukljuci u bazni krug, pa se u kolektorskom krugu dobiva mnogostruko pojacan elek-tricni signal. On se odvodi u zvucnik gdje se pretvara u zvuk. Tranzistor kao sklopka imabrojne prednosti u odnosu na mehanicku sklopku. Ako nema bazne struje, otpor tranzistoratako je velik da kolektorskim krugom ne tece struja-tada odgovara otvorenoj sklopci. Akobazna struja tece, otpor tranzistora je malen, pa kolektorskim krugom tece struja-tranzistorodgovara zatvorenoj sklopci.

31

7. OBRADA MOSFET-a I FET-a UNASTAVI FIZIKE U SREDNJOJSKOLI

FET i MOSFET obradujemo tek u srednjoj skoli, u cetvrtom razredu, u sklopu cjeline” Poluvodici i fizikalne osnove mikroelektronike”. Na samom pocetku upoznajemo se sapoluvodicima i poluvodickom diodom. Upoznajemo ucenike sa primjenom poluvodickihdioda, sto smo mi objasnili na samom pocetku. Pa jedan od primjera dioda moze biti i:

Slika 2.32: Primjena poluvodicke diode

Nakon toga upoznajemo se sa tranzistorima i u sklopu prosirenog sadrzaja, ucenicisamostalno obraduju MOSFET i FET.

Dosad smo razmatrali tranzistore koji se sastoje od triju poluvodickih slojeva: P-poluvodicau ”sendvicu” izmedu dvaju N-poluvodica.Takve tranzistore nazivamo normalnim ili bipo-larnim tranzistorima. Slika a)

32

Slika 2.33: Tranzistor izmedu poluvodica

U praksi se koriste minijaturni tranzistori koji se proizvode naknadnim dodavanjem prim-jesa u tankom sloju na povrsinu poluvodickog kristala pa izgledaju kao na slici b).

Slika 2.34: Minijaturni tranzistori

Medutim, kada na jednu poluvodicku plocicu treba ugraditi veliki broj minijaturnihtranzistora, rabe se drugi, prikladniji tipovi tranzistora. To su tzv, tranzistori sa ucinkompolja, skraceno FET (Field Effect Transistor).

33

Slika 2.35: Pomocu napona izmedu vrata i izvora reguliramo sirinu vodljivog dijela kanala u N-poluvodicu.

Graden je od duguljastog N-poluvodica, u koji je sa strane ugradena uska zona P-poluvodica. P-poluvodic i svaki od krajeva N-poluvodica spojeni su s po jednim metalnimprikljuckom. Prikljucak na P-poluvodic zove se vrata G, a na krajevima N-poluvodica uvodS i odvod D. Dio poluvodica ispod vratiju naziva se kanal. Rad FET-a predocen je naslikama.

Slika 2.36: b) Iscrtano podrucje je dio N-poluvodica sa slobodnim elektronima; c) jakost struje koja u tomtrenutku tece kroz kanal.

Usporedbom rada normalnog tranzistora i FET-a vidimo da po djelovanju postoji sli-jedeca analogija: emiter-uvod, baza-vrata, kolektor-odvod. No. postoje i neke razlike. Na-jprije, u normalnom tranzistoru kolektorska struja prolazi kroz dva PN-prijelaza, a u FET-uprolazi kroz kanal i na tom putu nema PN-prijelaza. Nadalje, u normalnom tranzistorukolektorsku struju reguliramo pomocu bazne struje, a struju kroz kanal u FET-u reguliramopomocu napona izmedu vrata i odvoda. U sklopovima s vrlo visokim stupnjem integracijeprimjenjuje se MOSFET (Metal Semiconductor Field Effect Tranzistor).Tranzistor se nalaziu dvije osnovne primjene: u funkciji uklapanja i isklapanja te u funkciji pojacavanja Funkcijasklopke koristi se pri upravljanju energijom trosila i u digitalnoj tehnici, a funkcija pojacanjau razlicitim pojacalima, ali koristimo ih i za stabilizaciju napona, modulaciju signala temnoge druge primjene.

34

ZAKLJUCAK

U prvom dijelu radnje saznali smo da se u silicijevom kristalu svaki silicijev atom pomocu4 valentna elektrona stvara kovalentne veze sa 4 susjedna silicijeva atoma. Oslobadanjemjednog elektron iz kovalentne veze pri sobnoj temperaturi nastaju slobodni elektron i supljina.Ako neki slobodni elektron naleti na supljinu, nastaje rekombinacije slobodnog elektrona isupljine. Vodljivost uslijed slobodnih elektrona zove se N-vodljivost, a uslijed supljina P-vodljivost. N-poluvodic je silicijev kristal dipiran peterovalentnim atomima arsena (donori),a P-poluvodic nastaje ugradivanjem atoma nekog trovalentnog elementa, npr. iridij, u sili-cijev kristal. Zatim smo se upoznali sa razlicitim vrstama dioda, poput PN-spoja odnosdnopoluvodicke diode i nama jos vaznije MOS diode. Nakon toga,sa tranzistorom koji se sastojiod tri sloja, a to su: emiter, baza i kolektor. Djeluje kao promjenjivi elektricni otpornik,kojem se otpor moze ucinkovito podesavati pomocu bazne struju. Rabi se kao pojacalo isklopka. Te sa nama najzanimljivijim tranzistorom sa efektom polja, a to je MOSFET, saz-nali smo sve o njegovim osnovama te da ga koristimo takoder kao pojacalo, kao sklopku, zastabilizaciju napona, modulaciju napona te mnoge druge primjene.

35

SAZETAK

Iza rijeci MOSFET krije se zapravo ime za tranzistor s efektom polja, graden od silicija.On je P ili N-tipa, obogacenog ili osiromasenog sloja. Danas ima dosta znacajnu ulogu, zarazliku od samih pocetaka njegove primjene. Ljudi ga koriste zbog njegove brzine. Za razlikuod ostalih vrsta tranzistora, MOSFET je puno brzi. No, da li smo se ikada pitali od cegaje zapravo graden tranzistor? Na principu cega on djeluje? Upravo ovom radnjom pokusalasam dati odgovor na ta, ali i neka druga pitanja koja si mozda nikada nismo ni postavili....

Pokusala sam na sto jednostavniji i laksi nacin objasniti sto je to zapravo MOSFET ilitranzistor sa efektom polja te njegovu primjenu u sklopu svakodnevnog zivota.

36

SAMMARY

Behind the word MOSFET, there is a name for a transistor with the effect of field built withsillicium. It is often P or N-type with rich or poor layer. Today it has an important role inspite of its beginnings of use. People use it because of its speed. In spite of other transistors,MOSFET is much faster.

However, have we ever wondered what is it built of? How does it work? I hope this workwill give you the answers on those and perhaps, many other questions you have never asked.

I have tried to explain, in a simple way, what is MOSFET and how to use it in everyday life.

37

LITERATURA

[1] G. PARKER, Introductory Semiconductor Device Physics, Prentice Hall, 1994.

[2] D. MEAMEN, Semiconductor Physics and Devices, McGrow Hill, 2003.

[3] B. JUZBASIC, Elektronicki elementi, Skolska knjiga, Zagreb, 1980.

[4] T. BRODIC, Elektronicki elementi i osnovni sklopovi, Skolska knjiga, Zagreb, 1995.

[5] V. CVEKIC, Diode i tranzistori, Tehnicka knjiga, Beograd, 1975.

[6] INTERNET, www.cororado.edu/ bart/book/title.hr.

38

ZIVOTOPIS

Rodena sam 8.4.1984. godine u Vinkovcima, gdje sam zavrsila osnovnu i srednju skolu.Nakon srednje skole upisujem se na dodiplomski studij, smjer matematika-fizika, Odjela zamatematiku u Osijeku.

39