SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

1 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA txt-8 2017, Kimmo Silvonen Osa VIII, 13.11.2017 Otan mielelläni esim. sähköpostilla (kimmo.silvonen@aalto.fi) vastaan pieniäkin korjauksia (kuten painovirheet), tekstisisältötoiveita ja muita parannusehdotuksia. Tämä siis koskee kaikkia tekstejäni. Mikä kohta on hanakala ymmärtää? 1 Bipolaaritransistori BJT Yleiskielessä transistorilla tarkoitetaan joko bipolaaritransistoria BJT tai kanavatransistoria eli fettiä. Transistori on aktiivinen peruskomponentti, jota käytetään kaikkialla elektroniikassa. Aktiivisuus tarkoittaa tässä sitä, että transistori pystyy antamaan ulos suuremman (signaali)tehon kuin siihen syötetään sisään. Näinhän asia ei tarkkaan ottaen ole, vaan lisäteho otetaan erillisestä tasajännitelähteestä. Hyödylliseksi transistorin tekee nimenomaan se, että tasajännitelähteestä otettua virtaa voidaan säädellä signaalin tahdissa pienellä ohjausvirralla tai ohjausjännitteellä. John Bardeen, William Shockley ja Walter H. Brattain keksivät transistorin Bellin laboratorioissa 23.12.1947 ja saivat siitä Nobel-palkinnon 1956. Bardeen on ainoana saanut kaksi fysiikan Nobelia toinen tuli v. 1972 suprajohtavuuden teorian luomisesta. Kolmikko tunnetaan myös nimellä the Transistor Three. Saman laboratorion John Pierce, väittää keksineensä nimen transistori mukaelmana sanasta transresistanssi. Shockleyn lukuisien keksintöjen joukossa oli myös tyristorien kantaisä, nelikerroksinen Shockleyn diodi, jota hän tutkimusryhmän johtajana piti lupaavampana jatkokehittelyn kohteena kuin transistoria. Historioitsijoiden mukaan Shockley oli vainoharhainen tyranni, mikä johti ongelmiin yrityksessä. Niinpä kahdeksan hänen alaistaan (mm. Intelin perustajat

2 1.1 npn- ja pnp-transistori Moore ja Noyce) siirtyi vuonna 1957 lentokonetehtailija Sherman Fairchildin leipiin ja perusti autotallifirman Kalifornian Mountain View:hin. Firman perustaminen johti mm. mikropiirin ja IC-operaatiovahvistimen keksimiseen. Fairchild Semiconductoria pidetään piilaakson hautomona ja sen spin-offit tunnetaan nimellä Fairchildren. Transistorin tyypillisiä käyttökohteita ovat vahvistimet, oskillaattorit, kytkimet, vakiovirtalähteet, anturit, nopeat logiikkapiirit, ym. Nykyisin MOS-kanavatransistorit ovat osittain syrjäyttäneet tavallisen transistorin lähinnä hyvän integroitavuutensa, pienen tehonkulutuksensa ja kytkimissä pienen jännitehäviönsä takia. 1.1 npn- ja pnp-transistori Kerrostamalla kolme puolijohdemateriaalia järjestyksessä npn tai pnp syntyy bipolaaritransistori eli BJT (bipolar junction transistor) (kuva 1). Bipolaarisuus viittaa siihen, että varauksenkuljettajina toimivat sekä aukot että elektronit toisin kuin mosfeteissä, joiden n-kanavaisissa versioissa varauksenkuljettajina ovat elektronit yksinään, mutta p-kanavaisissa pelkät aukot. Ympyrä jätetään varsinkin mikropiireissä piirrosmerkistä usein pois. Emitterillä oleva nuoli kuvaa virran kulkusuuntaa normaalissa toiminnassa. npn: kollektori kanta emitteri pnp: n C p n + B E p n p + Kuva 1. npn- ja pnp-transistorin piirrosmerkit ja pn-liitosten periaatteellinen sijainti. Nuoli osoittaa emitterivirran todellisen suunnan. Ensimmäiset transistorit tehtiin germaniumista v. 1954 valmistettiin Bellin laboratorioissa ensimmäinen piitransistori; pii on ominaisuuksiltaan ylivoimainen. Transistori koostuu siis kahdesta pn-liitoksesta, jotka näkyvät tasavirtamittauksissa diodeina. Tätä tietoa voi hyödyntää tutkittaessa, onko transistori npn- vai pnp-tyyppiä, ja onko se edes ehjä. Virran pitäisi kulkea pn-liitoksen läpi vain diodin nuolen suuntaan. Melko tavallisia vikoja ovat pn-liitoksen palaminen poikki tai oikosul-

1.2 Virtavahvistus 3 kuun. Myös väli C-E voi olla oikosulussa, vaikka diodit näyttäisivätkin ehjiltä; normaalisti C E-väli näyttää olevan poikki, ellei kannalla kulje virtaa. Koska diodi ei johda virtaa aivan pienellä jännitteellä, on monissa yleismittareissa tavallisen vastusmittauksen lisäksi hieman korkeammalla jännitteellä toimiva transistori- ja diodimittausalue. Vanhoissa analogisissa yleismittareissa plusjohtimeen tulee vastusmittauksessa yleensä negatiivinen jännite; tämä johtuu mittarin sisäisestä rakenteesta. Tarkista asia toisella jännitemittarilla, ellet ole varma! Transistorin kolmen elektrodin nimet ovat Bardeenin keksintöä; ensimmäisessä transistorissa kanta oli pohjalevynä, siitä siis nimi base. Emitteri emittoi npn-transistorissa elektroneja ja pnp-transistorissa aukkoja, jotka kollektori kerää; tästä syntyy päävirtapiirin virta, jota kanta emitterijännite u BE ja siitä riippuva kantavirta i B säätelevät. Transistorin keskimmäinen puolijohdealue, kanta (B, base), on hyvin ohut. Kollektori (C, collector) ja emitteri (E, emitter) eivät nekään ole keskenään samanlaisia. Rakenteellisten erojen lisäksi emitterimateriaali on vahvemmin seostettu eli "doupattu" epäpuhtausatomeilla; merkintä n + tai p + tarkoittaa juuri tätä. Nykyaikaisessa transistorissa pohjalla olevan kollektorin päälle on kasvatettu ohut kantakerros ja sen päälle emitterisaarekkeet. Palataan vielä vertailun vuoksi diodin toimintaan. Diodin virta jännitteen funktiona noudattaa eksponenttikäyrää. Kuvan 2 säädettävällä tasajännitelähteellä voidaan muuttaa lähdejännitettä, jolloin diodin virta muuttuu jännitteen funktiona oheisen käyrän mukaisesti. I R I E U U 0,7 V Kuva 2. Diodin virta I jännitteen U funktiona. Transistorin B E -liitoksen ominaiskäyrä on samanmuotoinen kuin diodilla. Vaikka parametreissa on eroa, virrallisen pn-liitoksen jännite on molemmilla samaa suuruusluokkaa. Virta alkaa selvästi kulkea vasta, kun jännite saavuttaa 0,7 V. 1.2 Virtavahvistus Transistorin voisi ajatella syntyvän virtaohjatusta virtaläteestä, joka saa ohjauksensa liitoskohtaan tulevasta kantavirrasta I B (kuva 3). Transistorin

4 1.2 Virtavahvistus päävirtapiirin (C E) läpi kulkee jännitelähteestä tuleva virta, joka on siis suoraan verrannollinen paljon pienempään ohjausvirtaan I B. V BB R B I B R C βi B V CC V R I B B BB βib R C V CC Kuva 3. Transistorin mallintaminen diodin ja virtaohjatun virtalähteen (CCCS) avulla. Transistorin piirrosmerkkiin ei yleensä ole tapana piirtää solmua sisään Kirchhoffin virtalaki toteutuu silti. Kuvan transistori on npn-tyyppiä. Päävirtapiirissä kulkevan kollektorivirran ja kantavirran suhde β on tyypillisesti suuruusluokaltaan 100 tai enemmän. Virtavahvistuskerroin ei siis oikeastaan tarkoita sitä, että virta jotenkin vahvistuisi, vaan pikemminkin kahden erillisen virran suhdelukua. Kannan kautta emitterille kulkevalla pienellä virralla I B voidaan säädellä huomattavasti suurempaa kollektorilta emitterille menevää virtaa I C = βi B. Koska lineaarisella toiminta-alueella kollektorivirta on suoraan verrannollinen kantavirtaan, sanotaan transistorin toimivan virtavahvistimena. Energiaa ei kuitenkaan nyhjästä tyhjästä, vaan transistori vaatii toimiakseen käyttövoiman tasajännitelähteestä. Alaindeksi, jossa on sama kirjain kahdesti, tarkoittaa yleensä piirin syöttö- eli käyttöjännitettä. Esim. V CC tai U CC on transistorin kollektorille (C) (ehkä vastuksen kautta) kytketty käyttöjännite, vaikka se toisesta päästään on kytketty maahan eli esim. emitterille. Vastus R C ei ole transistorin toiminnan kannalta välttämätön. Monessa sovelluskytkennässä vastus kuitenkin tarvitaan. Todellisella transistorilla ei ole kuvaan merkittyä solmukohtaa, eikä diodia ja ohjattua lähdettä voida käsitellä erillisinä. Transistori noudattaa tätä yksinkertaista piirimallia likimain niin kauan, kun ohjatun lähteen jännite pysyy positiivisena. Kuvaan 4 on merkitty npn- ja pnp-transistorien virtojen ja jännitteiden todelliset suunnat. Varsinkin datakirjoissa kaikki transistorin virrat määritellään sisäänpäin IEC:n yleisstandardin mukaisesti. Tällöin npntransistorin emitterivirta ja pnp-transistorin kanta- ja kollektorivirta ovat negatiivisia. Kursseillani virtojen suunnat on kuitenkin valittu selvyyden

1.3 Transistorin puolijohdefysiikkaa 5 vuoksi siten, että kaikki transistorin virrat ovat aina lukuarvoiltaan positiivisia; perusteluna valinnalle ovat pedagogiset syyt. npn : U CB I B U BE I C I E U CE pnp : U BC I B U EB I C UEC I E Kuva 4. Transistorin virtojen ja jännitteiden suunnat. Näiden suuntien mukaiset virrat ja jännitteet ovat siis normaalisti lukuarvoiltaan positiiviset (ks. teksti yllä). Jännite U CB voi olla npn-transistorilla joskus negatiivinen ja vastaavasti jännite U BC voi pnp-transistorilla olla joskus negatiivinen. Lähellä kyllästystilaa voi npn-transistorin U CB tai pnp-transistorin U BC olla toiminnan häiriintymättä niukasti negatiivinen. Huomaa, että alaindeksien järjestys vastaa nuolen ja jännitteen suuntaa. Kollektorivirran suunta kääntyy vain, jos kollektorin ja emitterin välinen potentiaaliero vaihtaa merkkiä. Jännite U CE kyllästyy virrallisena minimissään noin 0,1... 0,3 volttiin. Aivan nollavirralla mennään tietysti origoon. 1.3 Transistorin puolijohdefysiikkaa Tämä alaluku perustuu osittain diodin yhteydessä käsiteltyyn pnliitokseen. Toisaalta voit halutessasi hypätä suoraan kohtaan 1.4. Kuvassa 5 tasajännitelähteiden tarkoituksena on biasoida npntransistorin C B-väli estosuuntaan, mutta B E-väli päästösuuntaan. Tämä vastaa tavallisia transistorin toimintaolosuhteita (aktiivinen tila), joista poiketaan lähinnä vain kytkin- ja digitaalisovelluksissa. Käytännön kytkennöissä on yleensä vain yksi tasajännitelähde, josta toinen käyttöjännite saadaan esimerkiksi jännitteenjakajalla tai vakiovirtalähteellä (esim. virtapeili). Pääosa transistorin virroista syntyy varauksenkuljettajien diffuusion takia. Jännite U BE hylkii emitterillä olevia elektroneja kohti kantaa (B) ja kannalla olevia aukkoja kohti emitteriä. Koska emitteri on vahvasti seostettu, on elektronivirta suurempi kuin aukkovirta. Sekä elektronien että aukkojen muodostama virta saa aikaan kuvan mukaisen emitterivirran I E.

6 1.4 Toimintapisteen laskeminen Koska transistorin kanta on hyvin ohut, ehtii emitterin emittoimista elektroneista vain pieni osa rekombinoitua. Suuri osa elektroneista injektoituu jännitteen U CB avittamana samantien kollektorille. Kollektori tavallaan kerää kannan läpi diffusoituneet elektronit. C B E n p n + n I C + p I B + U CB U BE Kuva 5. Transistorin pn-liitokset. Kuvan transistori on npn-tyyppiä. Emitterillä oleva merkintä n + tarkoittaa vahvaa seostusta eli paljon V ryhmän epäpuhtausatomeita. Näin muodostuva kollektorivirta on ensi sijassa riippuvainen emitteriltä lähtevien elektronien määrästä. Tämä taas riippuu jännitteestä U BE. Jännite U CB ei juurikaan vaikuta virran voimakkuuteen riittää, että se on positiivinen, jotta elektronit tajuavat mennä oikeaan suuntaan. Samalla periaatteella kuin diodin pn-liitoksessa, tulee kollektorivirta olemaan muotoa I E I C = I S e U BE U T (1) Pinta-alaan suoraan verrannollisena saturaatiovirta I S toimii myös skaalausparametrinä. Mikropiireissä on usein tarvetta skaalata transistorien virtoja määrätyllä suhteella (esim. kertoimella kaksi). Mainittakoon, että itseispuolijohteen varauksenkuljettajatiheys on voimakkaasti lämpötilan funktio. Hehheh, I S on suoraan verrannollinen viime mainitun neliöön! Kantavirta on suoraan verrannollinen kollektorivirtaan: missä β on (yhteisemitterikytkennän) virtavahvistus. 1.4 Toimintapisteen laskeminen I B = 1 β I C (2) Tasavirtalaskuissa transistorin kanta-emitteridiodi voidaan mallintaa tasajännitelähteellä (kynnysjännite) ja virtavahvistus virtaohjatulla virtalähteellä (kuvat 6 ja 7). Vakiintuneen ja melko tarkan approksimaation

1.5 Transistori kytkimenä 7 mukaisesti npn-transistorilla U BE 0,7 V ja vastaavasti pnp-transistorilla U EB 0,7 V; alaindeksien järjestys kertoo jännitteen suunnan. U BE B I B βi B r o Kuva 6. Transistorin (npn) sijaiskytkentä tasavirralla. Sisäinen vastus r o esitellään myöhemmin; sitä käytetään harvoin tasavirtatarkastelussa, koska lasketut tulokset ovat parametrien epätarkkuuden takia joka tapauksessa likiarvoja. Kaikki virrat ja jännitteet ovat pnp-transistorilla vastakkaissuuntaiset npntransistoriin verrattuna. C E B C E U EB B I B βi B r o C E Kuva 7. pnp-transistorin tasavirtasijaiskytkentä. B C E Jos U BE haluttaisiin laskea tapauskohtaisesti tarkemmin, olisi transistorin "diodi-parametrit" tunnettava. Tarkemmissa transistorin piirimalleissa (esim. SPICE-malli) on kymmeniä parametrejä; tällaisia sijaiskytkentöjä pystytään käyttämään ainoastaan piirisuunnitteluohjelmissa. Tarkkoja malleja tarvitaan mm. mikropiirien suunnittelussa. 1.5 Transistori kytkimenä Transistori toimii kytkimenä mm. logiikkapiireissä ja hakkuriteholähteissä. Kun transistori on sulkutilassa, on kytkin auki. Kyllästystilassa taas kytkin on kiinni. Se, onko tällöin kyseessä looginen ykkönen vai nolla, riippuu sovelluskytkennästä. Transistorikytkimen kuorma voi olla emitteri- tai kollektoripuolella. Luontevin paikka sille on kollektoripiirin kanssa sarjassa. Kuorma on siis se laite, jonka virtaa kytkin säätelee. Kytkimen ohjaus tuodaan transistorin kannan ja emitterin välille. Transistorikytkimen etuina ovat sähköinen ohjaus (rele ilman liikkuvia osia) ja se, että pienellä ohjausvirralla voidaan kytkeä paljon suurempaa virtaa. Virran-, jännitteen- ja tehonkeston lisäksi transistorin kytkentänopeu-

8 1.5 Transistori kytkimenä della on kytkinsovelluksissa usein suuri merkitys. Kytkinkäyttöön suunnitellut transistorit ovat yleensä hyviä muissakin sovelluksissa. Sulkutilassa (cut off) transistorin U BE on pienempi kuin diodin kynnysjännite 0,5 V. Molemmat pn-liitokset ovat estosuunnassa; virta ei kulje mihinkään suuntaan. Sijaiskytkentä on suorastaan piirisuunnittelijan unelma epäideaalisuuksistakaan ei juuri ole haittaa (kuva 8). B Kuva 8. Transistorin piirimalli sulkutilassa virta ei kulje mihinkään suuntaan. Kyllästystilassa (saturation) U CE on lähellä minimiarvoaan, eikä I C enää juuri kasva vaikka kantavirtaa suurennettaisiin (vrt. kuva 9). Jännite riippuu transistorin parametrien lisäksi myös ulkopuolisista komponenteista, mutta on tyypillisesti suuruusluokaltaan 0,1... 0,3 V (piste B kuvassa 10). Jo pisteiden A ja B välillä transistori toimii epälineaarisesti. Kuormitussuoran yhtälö (vrt. y = kx + c) seuraa Kirchhoffin jännitelaista: C E U CE R C I C +V CC = 0 I C = 1 R U CE + V CC R (3) V BB R B I B U BE R I C U CE V CC Kuva 9. Transistori kyllästyy liian suurilla R:n arvoilla, koska jännite U CE = V CC RI C ei pysty pienenemään negatiiviseksi eikä edes aivan nollaan. Kyllästyminen näkyy β:n pienenemisenä, minkä takia myös I C jää odotettua pienemmäksi.

1.5 Transistori kytkimenä 9 3.00m Ic/A 2.25m Transistorin kyllastyminen APLAC 8.40 User: Helsinki University of TechnologyWed Oct 22 2008 A B 3.00m Ic/A 2.25m Transistorin kyllastyminen APLAC 8.40 User: Helsinki University of TechnologyWed Oct 22 2008 0.3 0.2 1.50m 1.50m 750.00µ 750.00µ 0.1 0.00 0.000 0.750 1.500 2.250 3.000 Uce/V 0.00 0.000 0.750 1.500 2.250 3.000 Kuva 10. Toimintapiste on kantavirran I B määräämässä kohdassa kuormitussuoralla. Vasemmalla olevassa kuvassa kantavirtaa muutetaan, jolloin toimintapiste siirtyy kuormitussuoraa pitkin. Oikealla kantavirta on vakio, mutta jännitettä U CE säädetään esimerkiksi vastuksella R. Transistori kyllästyy, jos I B menee liian suureksi tai U CE liian pieneksi; säätövara loppuu, koska ominaiskäyrät romahtavat alas kohti origoa. Uce/V Kyllästystilassa transistorin likimääräiseksi sijaiskytkennäksi riittää kaksi tasajännitelähdettä: U BE 0,7 V ja U CE 0,2 V, jotka on emitteripuolelta kytketty yhteen. Jännitteet ovat npn-transistorilla positiiviset. Virtavahvistusta β ei nyt saa käyttää, koska sen arvo ei kyllästysalueella ole vakio. Tälläkin sijaiskytkennällä saavutettu tarkkuus kyllästystilanteessa on yllättävän hyvä. Tarkkuutta voi vielä parantaa kuvan 12 paloittain lineaarisen mallin avulla. Tarkempi menetelmä kyllästyneen transistorin käsittelyyn on seuraavan alaluvun Ebers Moll-sijaiskytkentä. Aivan yksinkertaistettuna sijaiskytkentänä voidaan käyttää jopa oikosulkuja, koska molemmat pn-liitokset ovat kyllästystilassa päästösuuntaisia (kuva 11). Taulukkoon 1 on koottu yhteenveto transistorin toimintatiloista. npn: B U BE U CE C E Kuva 11. Transistorin yksinkertaistetut sijaiskytkennät kyllästystilassa. Molemmat pn-liitokset johtavat niin hyvin kuin pystyvät. Koska kyllästystilassa kollektorivirta kyllästyy suurimpaan arvoonsa I Csat, pakotetaan transistorin virtavahvistus normaalia pienemmäksi: B β forced = I Csat I B < β (4) C E

10 1.6 Bipolaaritransistorin yhtälöt ja ominaiskäyrät Kyllästystilan pakotettu virtavahvistus β forced määräytyy lähes yksinomaan transistorin ulkopuolisten komponenttien perusteella. Joskus merkitään lyhyesti β F, minkä voi liian helposti sekoittaa tavalliseen forward-suunnan virtavahvistukseen. Taulukko 1. Transistorin kolme toimintatilaa. Annetut jännitteet ovat tyypillisiä arvoja. Kyllästystilan rajana voidaan pitää noin 0,3 voltin jännitettä, mutta syvemmällä kyllästystilassa U CE laskee vielä hieman tämän alapuolelle ei kuitenkaan nollaan. U BC muuttuu positiiviseksi jo, kun U CE alittaa 0,7 V, mitä joskus myös pidetään lineaarisen toiminnan rajana. Akronyymit TTL ja ECL viittaavat samannimisiin logiikkapiiriperheisiin. Toimintatila BC-liitos BE-liitos U CE U BE I B I C Käyttökohteita sulkutila estos. estos. ei määr. < 0,5 V 0 0 TTL,ECL,kytkin aktiivinen tila estos. päästös. > 0,7 V 0,7 V I Cβ βi B vahvistin, ECL kyllästystila päästös. päästös. 0,2 V 0,7 V > I C β < βi B TTL, kytkin 1.6 Bipolaaritransistorin yhtälöt ja ominaiskäyrät Tutkitaan seuraavaksi transistorin toimintaa ja yhtälöitä hieman tarkemmin. Normaalin toiminnan kuvaamiseen riittää muutama yksinkertainen kaava: ( i C = I S e u ) BE nu T 1 u BE nu T ln i C I S 0,7 V (5) i C = βi B i E = i C + i B = (β + 1)i B (6) i C = αi E (7) β = α 1 α α = β β + 1 Saturaatio- eli vuotovirran I S = A E J S tyypillinen suuruusluokka on noin 10 15 A (kerroin A E on emitterin pinta-ala ja J S saturaatiovirran tiheys). Saturaatiovirta riippuu voimakkaasti lämpötilasta; jos I S = 10 24 A lämpötilassa 55 C, se voi nousta yli biljoona-kertaiseen arvoon I S = 10 11 A lämpötilassa +125 C. Emissiokertoimen arvoksi voidaan yleensä olet- (8)

1.6 Bipolaaritransistorin yhtälöt ja ominaiskäyrät 11 taa n = 1; erään lähteen mukaan n:n arvo olisi mikropiireissä pienehköillä virroilla tyypillisesti 1,001... 1,01. Kerroin α on nimeltään yhteiskantakytkennän virtavahvistus. Tavallisesti α on välillä 0,950...0,998 ja aina pienempi kuin yksi. Yhteisemitterikytkennän virtavahvistus β vaihtelee tällöin likimain välillä 20...500; suuremmatkin β:n arvot ovat mahdollisia. Laskuissa voidaan silti usein käyttää nyrkkisääntöä β = 100. Monet käytännön piirit suunnitellaan niin, että β:n arvoa ei tarvitse tietää, kunhan se on riittävän suuri. Piensignaalitransistoreilla virtavahvistus 100 on helppo ylittää, mutta tehotransistoreilla vahvistus on keskimäärin pienempi kuin sata. Jos puhutaan pelkästä virtavahvistuksesta, tarkoitetaan yleensä nimenomaan kerrointa β. Hyvin suurilla kantavirran arvoilla transistori alkaa muuttua epälineaariseksi; i C ei enää olekaan suoraan verrannollinen kantavirtaan vaan pikemminkin i B :n neliöjuureen (tämä ei näy prujun käyristä eikä yhtälöistä). Transistoripiirit pyritään siis yleensä suunnittelemaan siten, että ne eivät ole kovin herkkiä virtavahvistuksen vaihteluille. Samankin valmistussarjan transistoreilla β voi vaihdella melko laajoissa rajoissa, vaikka kerroin α vaihtelee vain vähän. Lisäksi β on voimakkaasti lämpötilan funktio kasvaen lämmetessään (puolijohteiden ominaisvastus pienenee lämpötilan funktiona toisin kuin useimpien muiden aineiden). Vahvistuksen vaikutusta toimintapisteeseen voidaan vähentää valitsemalla sellainen biasointitapa, jossa on tasavirralla negatiivista takaisinkytkentää. Biasointi ("esijännittäminen") tarkoittaa toimintapisteen asettelua kytkemällä piiriin tasajännite, jolla päästään ominaiskäyrällä halutulle kohdalle. Aiemmin tässä luvussa käsitellyt piirit olivat esimerkkejä erilaisista biasointitavoista. Valmistajan julkaisemassa transistorin datalehdessä esitetään useita erilaisia ominaiskäyriä. Kantavirran I B käyrä kanta-emitterijännitteen U BE funktiona on samanlainen kuin diodilla (kuva 12). Usein pystyakselilla on kuitenkin kollektorivirta I C. Tällöin käyrän muoto on edelleen sama, mutta pystyakselin skaalaus tietysti muuttuu. Tehotransistoreilla U BE voi suurilla kantavirran arvoilla kasvaa reilusti yli volttiin mm. sisäisten resistanssien takia.

12 1.6 Bipolaaritransistorin yhtälöt ja ominaiskäyrät I B I C I C I C I B3 βi B βi B2 I B2 0,5 0,7 U BE 0,1 0,3 (0,7) I B1 I B = 0 U CE U 1 U 2 U CE Kuva 12. Transistorin kanta- ja kollektorivirtojen ominaiskäyrät; oikealla paloittain lineaarinen approksimaatio; ylemmän kulmapisteen paikka U 2 0,3 V vaihtelee transistorikohtaisesti ja kantavirrasta riippuen. Tehotransistorilla piste voi joskus sijaita vasta yli voltin kohdalla, kun taas piensignaalitransistorilla jopa vain 0,2 V on realistinen arvo. Alempi kulmapiste (n. 0,1 V) on myös merkityksellinen DC-kytkinkäytössä, jossa staattinen jännitehäviö pyritään minimoimaan. 99.00m Ic/A BJT, Uce-Ic-ominaiskayrat, Ib=[0.4m,0.9m] APLAC 8.40 User: Helsinki University of TechnologyWed Oct 22 2008 I C I B 66.00m 33.00m 0.00 U CE -33.00m -2.000-1.000 0.000 1.000 2.000 Uce/V Kuva 13. Negatiivisilla jännitteillä U CE I C -käyrät ovat samanmuotoiset kuin positiivisella puolella, mutta virran itseisarvo on paljon pienempi (todellisuudessa ero on suurempi kuin kuvassa, jossa α R on selvyyden vuoksi hyvin suuri). Transistori toimii siis selvästi huonommin, jos kollektori ja emitteri vaihdetaan keskenään. U BE I B -käyrä kulkee tällöinkin edelleen samalla tavalla kuin diodin ominaiskäyrä. Kuva on piirretty Ebers Moll-sijaiskytkennän avulla seuraavin lukuarvoin: α F = 0,99, α R = 0,9, n = 1, I S = 1 fa, U A = 50 V. Laskuissa oletetaan usein, että kannan ja emitterin välille syntyy kantavirran biasoimana eli esijännittämänä pn-liitoksen vakiotasajännite U BE = ±0,7 V (plusmerkki npn-transistorilla). Transistoria käytetään usein lämpötila-anturina, koska U BE pienenee vakiovirralla lämpötilan funktiona n. 2... 3 mv/k. Tärkein syy tähän on voimakkaasti lämpötilasta riippuva saturaatiovirta. Toinen tärkeä trankun ominaiskäyrä on kollektorivirta kollektori emitteri -jännitteen U CE funktiona (kuvat 12 ja 13). Koska virran I C suu-

ruus riippuu kantavirrasta, on I B käyrien parametrina. Parametri tarkoittaa tässä muuttujaa, jonka arvo pidetään vakiona samalla, kun toisen muuttujan arvoa muutetaan. Käyrien väliin jäävillä I B :n arvoilla voidaan I C laskea lineaarisesti interpoloimalla. Ominaiskäyrän "vaakasuoralla" osalla transistori toimii lineaarisesti (β ei riipu virrasta eikä jännitteestä!). Kantaemitteripiiri on kuitenkin diodin ominaiskäyrän takia epälineaarinen, mikä on ehkä merkittävin signaalin vääristymistä aiheuttava seikka bipolaaritransistorilla feteillä tilanne ei ole yhtään parempi. Liian pienellä U CE :n arvolla transistori kyllästyy ohjattu lähde ei enää kykene tuottamaan riittävän suurta virtaa, mikä näkyy virtavahvistuksen β pienenemisenä. Transistorin I C U CE -ominaiskäyrä voidaan esittää myös paloittain lineaarisena approksimaationa. Kuvan 12 oikeanpuoleinen käyrä pätee likimääräisesti kaikilla I B :n arvoilla. 13 2 Kanavatransistorit eli FETit Rinnakkainen komponenttityyppi transistorille on kanavatransistori (FET, field-effect-transistor). Laajasti ymmärrettynä fettejä voidaan pitää yleisnimityksen transistori alaryhmänä, mutta todellisuudessa fetillä ei ole mitään tekemistä vuonna 1947 keksityn transistorin kanssa. Koska fetissä varauksenkuljettajat ovat joko elektroneja tai aukkoja, mutta ei molempia yhtä aikaa, voidaan puhua unipolaaritransistorista erotuksena bipolaaritransistoriin. Fetit jaetaan valmistusprosessin mukaan kahteen päätyyppiin: liitoskanavatransistori (JFET, Junction-FET) ja eristehilatransistori (MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor-FET). Mosfettejä on lisäksi kahta eri tyyppiä: avauskanavatransistori (Enhancement- eli E-tyyppi) ja sulkukanavatransistori (Depletion- eli D-tyyppi). JFET muistuttaa toiminnaltaan sulkukanavatransistoria. Kaikki kolme pääluokkaa voivat vielä erikseen olla n- tai p-kanavaisia vastaten npn- ja pnp-transistoreita. Tavallisimpia FET-tyyppejä on siis kuusi erilaista; liitäntäjohtimia on joko kolme tai neljä (taulukko 2). Suomenkieliset nimitykset eivät hilaa lukuun ottamatta ole täysin vakiintuneita, vaikka ovatkin laajalti tunnettuja. Mosfetin substraatti-johdin kytketään diskreetti- eli erilliskomponenteissa yleensä yhteen S:n kanssa.

14 Taulukko 2. Fettien liitäntäjohtimet. G D S B (vain mosfetillä) gate drain source body, bulk hila nielu (keräin) lähde, emitteri runko, alusta, substraatti Toiminnaltaan, käyttösovelluksiltaan ja ulkonäöltään fetit muistuttavat paljon transistoreita, mutta selviä erojakin on: fettiä ohjataan jännitteellä (tulovirta on nolla), yhtälöt ovat erilaisia (fetillä toisen asteen polynomeja, BJT:llä eksponenttifunktioita), fetin D:n ja S:n saa symmetrian takia vaihtaa (jos B on kytkemättä). Fetin ominaiskäyrät nousevat origosta suoraviivaisesti, kukin omalla kulmakertoimellaan. Aivan päinvastoin kuin transistorilla fetin vakiovirta-aluetta kutsutaan kyllästysalueeksi. Kuvassa 14 on kuuden tärkeimmän FET-tyypin piirrosmerkit (kolme ensimmäistä ovat n-kanavaisia ja kolme jälkimmäistä p-kanavaisia). Piirrosmerkki voi olla ympyröity, kuten npn- ja pnp-transistoreilla. Fettien piirrosmerkit antavat myös viitteitä komponentin käytännön toiminnasta. Paksu viiva kuvaa sulkukanavatransistorissa kanavaa, joka on olemassa jo lepotilassakin (toisin kuin avauskanavatransistorilla). Mosfetin hila on eristetty (vrt. kondensaattoria muistuttava rako). S-elektrodin nuoli osoittaa virran suuntaan; virta kulkee n-kanavaisella fetillä D:ltä S:lle ja p- kanavaisella vastakkaiseen suuntaan. Fettiä ohjataan jännitteellä U GS hilalla ei kulje virtaa, mikä tekee käytöstä yksinkertaista. N-kanavaisen avauskanavatransistorin (ENMOS- FET) jännitteet U GS ja U DS ovat aina positiiviset. Ohjausjännitteen tulee ylittää kynnysjännite U t (threshold, kuva 15), jotta virta I D = I S alkaa kulkea. Mitä suurempi ohjausjännite, sitä suurempi virta; riippuvuus ei kuitenkaan ole suoraviivaista, vaan ominaiskäyrä muistuttaa paraabelin puolikasta. Virran voi katkaista kokonaan asettamalla ohjausjännitteen nollaksi tai ainakin alle kynnysjännitteen. Muiden fettityyppien toiminta on periaatteessa samanlaista, mutta jännitteiden etumerkeissä ja epäyhtälöiden "suunnissa" on eroja. Samat matemaattiset yhtälöt toimivat muuttumattomina kaikille fettityypeille negatiivisen jännitteen miinusmerkin kumoaa yhtälössä aina toinen miinusmerkki.

2.1 Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet 15 G enmos avaus D S G dnmos sulku D S G njfet liitos D S G epmos avaus D S G dpmos sulku D S G pjfet liitos D S Kuva 14. Kuusi tärkeintä kanavatransistorityyppiä. Nuoli osoittaa j-fetillä pnliitoksen suuntaa, muilla virran suuntaa. CMOS-piireissä on n- ja p-kanavaisia avauskanavatransistoreta; näitä edelsivät "puhtaat" NMOS- ja PMOS-tekniikat. Erilliskomponenteissa piirretään tyypillisesti rengas piirrosmerkin ympärille. I D 0 U GS > U t I D > 0 U GS < U t I D = 0 I G = 0 U GS U DS > 0 Kuva 15. Kynnysjännitteen U t merkitys. N-kanavaisen fetin virta alkaa kulkea kynnysjännitettä suuremmalla ohjausjännitteellä U GS. P-kanavaisella fetillä ohjausjännitteen tulee olla kynnysjännitettä negatiivisempi silti se voi joissain tapauksissa olla positiivinen. 2.1 Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet Tämä on ainoa FET-tyyppi, joka kuuluu kurssivaatimuksiin! Yleisin FET-tyyppi on n-kanavainen avauskanavatransistori enmos (enhancement-tyyppi). Se on NMOS-mikropiirien tärkein yksittäinen rakenneosa, mutta fettejä on tietysti saatavana myös erilliskomponentteina. Yleisemmissä CMOS- (complementary MOS) mikropiireissä esiin-

16 2.1 Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet tyy edellä mainitun ohella lähes yhtä yleisenä vastaava p-kanavainen epmos. Mosfettien etuna on suuri pakkaustiheys ja se, että niillä voidaan toteuttaa myös vastuksia, kytkimiä ja kondensaattoreita. Mosfetin keksivät Bell Labsin tutkijat egyptiläinen Muhammad M. (John) Atalla ja eteläkorealainen Dawon Kahng, 1960. Vietimme tällä kurssilla v. 2010 MOS- FETin 50-vuotisjuhlia tietääkseni ainoana maailmassa! n + d n + p D G L B Kuva 16. Avauskanavatransistorin (n-kanavainen) periaatekuva. W ja L ovat hilan leveys ja pituus. Huomaa, että pituus mitataan kanavan suuntaisesti eli "leveyssuunnassa". Korkeus d on SiO 2 -eristekerroksen paksuus. S W E- eli enhancement-tyyppisen fetin rakenne on esitetty kuvassa 16. Kuvassa raidoitettu alue on piidioksidia (SiO 2 ); paksulla mustalla viivalla merkityt elektrodit ovat joko metallia tai polysilikonia. Polysilikoni on pienistä piikiderakeista koostuva epähomogeeninen materiaali toisin kuin puolijohdeteollisuudessa tavallisempi yksikiteinen pii, jonka kiderakenne on tasalaatuinen. Merkintä n + tarkoittaa vahvasti seostettua n-tyyppistä puolijohdemateriaalia. Atalla päätyi juuri piidioksidin käyttöön eristeenä sen valtavan sähkölujuuden takia; käytännön sovellukset vaativat hilan alle niin suuria sähkökentän voimakkuuksia, että useimmat muut eristeet eivät tässä kestäisi. Koska mosfetin hila (G) on eristetty kanavasta piidioksidikerroksella, sen virta on erittäin pieni, suuruusluokaltaan noin 10 15 A. Pientaajuusalueella oletetaan yleensä, että i G = 0. Eristekerroksen paksuus d on jopa alle 0,1 µm uusimmissa mikropiireissä vain 0,9 nm. Mosfettiä kutsutaankin joskus eristehilatransistoriksi (IGFET, insulated-gate-fet). Suurilla taajuuksilla mm. fetin kotelosta ja liitäntäjohtimista johtuvat hajakapasitanssit ja hajainduktanssit aiheuttavat sen, että hilavirta ei signaalitaajuudella enää ole nolla; fetin tuloimpedanssi ei siis tällöin enää ole ääretön. RF-alueen BJT- ja FET-vahvistimissa oleellinen kysymys onkin tämän impedanssin sovittaminen eli "kompensointi" halutulla taajuuskaistalla vieläpä niin, että piiri ei ala toimia oskillaattorina jollain muulla taajuudella; myös läh-

2.1 Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet 17 töimpedanssi vaatii suurilla taajuuksilla aina sovittamista. Hilan pituus L on tyypillisesti 1...10 µm (VLSI-piireissä alle 0,2 µm) usein tietylle valmistusprosessille vakio (vrt. esim. 32 nm:n prosessi, jossa hilan pituus on Intelin mukaan noin 30 nm). Hilan leveyttä W säätämällä voidaan fetin virta asettaa sopivaan suuruusluokkaan. W vaihtelee tavallisesti välillä 2...500 µm. Koska rakenne on täysin symmetrinen toisin kuin bipolaaritransistorilla, voidaan D ja S vaihtaa keskenään. Tasajännitteen U DS suunta määrää, kumpi niistä on kumpi. Avauskanavatransistorilla ei ole lepotilassa kanavaa. Reitti D S sisältää tällöin kaksi vastakkaissuuntaista pn + -liitosta ( diodia), joten virta i D ei pääse kulkemaan. D:n ja S:n välinen resistanssi on täten hyvin suuri: r DS 10 12 Ω, kun u GS = 0. Jännitteen u GS suurentaminen pienentää resistanssia, mutta virta alkaa selvästi kulkea vasta tietyllä kynnysjännitteellä U t (threshold). Piirien käyttöjännitteiden yhä pienentyessä on alettu tutkia fettien käyttöä kynnysjännitteen alapuolella ns. subthreshold-alueella, missä virratkin ovat todella pieniä. Tällöin diodin eksponenttikäyrä tulee uudestaan kuvioihin mukaan. n + +++ n + p Kuva 17. Tyhjennysalueen muodostuminen ja kanavan syntyminen n- kanavaisessa avauskanavatransistorissa. Positiivinen hilajännite hylkii hilan alla olevia positiivisia varauksia ja toisaalta vetää puoleensa n + -alueiden vapaita elektroneja. Tyhjennysalueen muodostumista ja kanavan syntyä esittää kuva 17. Hilan positiivinen jännite hylkii positiiviset varaukset (aukot, +) bodya kohti. Hilan alle ja n + - alueiden ympärille syntyy tyhjennysalue (depletion region), jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia. Toinen kuva osoittaa miten positiivinen hilajännite vetää n + -alueen negatiivisia varauksenkuljettajia (elektroni, ) puoleensa. Kun u GS saavuttaa kynnysjännitteen U t, muodostuu D:n ja S:n väliin yhtenäinen kanava. Hilan alle syntyy ns. inver-

18 2.1 Avauskanavatransistori, e-tyyppinen mosfet siokerros 1 : p-tyyppinen puolijohde muuttuu n-tyyppiseksi (pn + -liitokset tavallaan häviävät). Vakio U t ei ole mikään piirin jännitteistä, vaan u GS :n kynnysarvo. Hilajännitteen aiheuttama sähkökenttä välillä G B säätää virran suuruutta kanavassa. MOS-transistorin hilan ja bodyn väliin muodostuu siis kondensaattori. Edellä oletettiin yksinkertaisuuden vuoksi, että u DS = 0 (koska D ja S ovat maadoitettuja). Kun u DS on suurempi kuin nolla, muuttuu tyhjennysalueen ja kanavan muoto (kanava jää kuvassa 18 olevan vinon pohjaviivan yläpuolelle). S D u DS u GS U t u DS > 0 u DS = 0 Kuva 18. Kanavan yksinkertaistettu muoto jännitteen u DS funktiona. Vino viiva kuvaa kanavan pohjaa. Jännitteen u DS kasvaessa kanava kuroutuu drain-puolelta lähes umpeen. Virran luulisi silloin pienenevän, mutta todellisuudessa virta saavuttaa suuremman jännitteen takia maksiminsa samalla, kun kanava on kokonaan kuroutunut. Virta siis kyllästyy suurimpaan arvoonsa jännitteen noustessa rajan u DS = u GS U t yläpuolelle. Kanavan muoto ei myöskään enää tämän rajan yläpuolella muutu merkittävästi. Fetillä sanaa kyllästyminen käytetään aivan eri merkityksessä kuin bipolaaritransistorilla, vaikka fetin ja transistorin ominaiskäyrät ovat muodoltaan lähes identtiset. Kyllästysalueella fetin toiminta on lineaarisinta (vrt. transistori ominaiskäyrien vaakasuorilla osilla). Koska "umpeen kuroutuminen" saavutetaan silloin, kun u DS ja u GS ovat U t :n päässä toisistaan, kutsutaan U t :tä joskus pinch-off- eli kuristusjännitteeksi (U t = U P ). Enmos-transistorin U t on aina positiivinen, yleensä noin 1... 3 V. P- kanavaisen avauskanavatransistorin (epmos) U t on negatiivinen. 1 Säätieteessä inversiokerros tarkoittaa kylmemmän ilmakerroksen päällä olevaa lämpimämpää ilmakerrosta.

2.2 Avauskanavatransistorin ominaiskäyrät 19 2.2 Avauskanavatransistorin ominaiskäyrät Kuva 19 esittää tyypillisiä avauskanavatransistorin ominaiskäyriä eli virtaa I D jännitteiden U GS ja U DS funktiona triodi- ja saturaatio-alueilla. Feteille voidaan piirtää samanlainen käyräparvi kuin bipolaaritransistoreille. Käyrien parametrina on kantavirran sijaan jännite u GS. Oikeanpuoleisen käyrän nousevat kaaret (triodialue) ovat ylösalaisin olevan paraabelin osia. Triodi- ja kyllästys- eli saturaatioalueiden rajalla, joka on myös paraabelin muotoinen, käyrät kääntyvät lähes vaakasuoraan. Katkoviiva erottaa oikeanpuoleisessa kuvassa triodi- ja saturaatioalueet toisistaan. Näitä kutsutaan myös ohmiseksi alueeksi ja vakiovirta-alueeksi. Varsinainen ohminen alue on triodi-alueen alkuosa, jossa virta on lähes suoraan verrannollinen jännitteeseen u DS. Vasemmanpuoleinen käyrä on kyllästysalueella muodoltaan paraabeli, mutta pienillä u DS :n arvoilla eli triodialueella suora; triodi- ja saturaatioalueiden raja ei siinä näy selvästi. 4.00m Id/A 3.00m ENMOS, Uds=0...20 V, Ut=2 V, K=0.1 ms/v APLAC 8.40 User: Helsinki University of TechnologyWed Oct 22 2008 Uds=20 V 4.00m Id/A 3.00m ENMOS, Ugs=2...8 V, Ut=2 V, K=0.1 ms/v APLAC 8.40 User: Helsinki University of TechnologyWed Oct 22 2008 Ugs=8 V SAT 2.00m 2.00m 1.00m 1 V 1.00m TRI SAT CUTOFF Ut TRI 0 V 0.00 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 Ugs/V 0.00 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 Kuva 19. Erään avauskanavatransistorin ominaiskäyrät. Käyttämäni lyhenne SAT tarkoittaa saturaatio- eli kyllästysaluetta (vakiovirta-alue). TRI tulee sanasta triodi (alunperin 3-elektrodinen elektroniputkityyppi). Vasen käyrä (virta i D u GS :n funktiona) on lähes suora pienillä u DS :n arvoilla, mutta muuttuu selvemmin paraabeliksi suuremmilla jännitteillä. Oikealla: virta i D kasvaa u DS :n funktiona ensin suoraviivaisesti, mutta kääntyy lopulta vaakasuoraan. Uds/V 2.3 Fettien virtayhtälöt, triodi- ja saturaatioalue Virran i D yhtälöt ovat kertoimen K kaavaa lukuun ottamatta samat kaikille kuudelle FET-tyypille. Virtayhtälöistä ja niiden valintaa säätelevistä ehdoista on yhteenveto kyhäämässäni tiedostossa dtf.pdf, joka löytynee Googlella. Kun u GS U t, on n-kanavainen FET sulkutilassa (cutoff); virta i D ei siis kulje. Kaava pätee kynnysjännitteen etumerkistä riippumatta, mutta p-

20 2.3 Fettien virtayhtälöt, triodi- ja saturaatioalue kanavaisissa tapauksissa tässä ja muissa epäyhtälöissä vertailuoperaattori (, ) on aina toisin päin. Mikäli FET ei ole sulkutilassa, se johtaa ja on siis joko triodi- tai saturaatio- eli kyllästysalueella. Johtavuustila jakaantuu triodi- ja saturaatio- eli kyllästysalueeseen. N- kanavainen FET on kyllästysalueella, kun u DS u GS U t, ja triodialueella, kun u DS u GS U t (kuva 20). Rajakohta voidaan lukea yhtä aikaa molempiin alueisiin kuuluvaksi. Myös triodialueella u DS on kuitenkin n-kanavaisilla feteillä aina positiivinen. P-kanavaisilla feteillä jännitteet ja epäyhtälöt ovat jälleen päinvastaiset. Huomaa, että kaikki fettien virtayhtälöt pätevät muuttumattomina, vaikka jännitteet olisivat negatiivisia, koska kahden miinusmerkin tulo ei muuta etumerkkiä! i D i D i D i D u DS u DS u DS u DS u GS u GS u GS u GS Kuva 20. Fettien jännitteiden ja virtojen määrittely. Kaikki virrat ovat positiiviset, mutta p-kanavaisten fettien u DS on negatiivinen. Jännitenuolten suunnat määräytyvät alaindeksien järjestyksestä. Virrallisella avauskanavatransistorilla u GS on aina positiivinen n-kanavaisena ja aina negatiivinen p-kanavaisena. Sulkukanavatransistoreilla u GS voi olla positiivinen tai negatiivinen. Triodialueella, joka on saanut nimensä samannimisestä elektroniputkesta, virtaa ja jännitettä yhdistää yhtälö: i D = K[2(u GS U t )u DS u 2 DS] triodialue (9) missä kerroin K on mm. fetin mitoista riippuva johtavuusparametri. Kyllästys- eli saturaatioalueella yhtälö on yksinkertaisempi, koska virta ei enää riipu jännitteestä u DS : i D = K(u GS U t ) 2 saturaatioalue (10) Edellä oleva funktio kiteyttää fetin toiminnan vahvistimena samalla tavalla kuin kaava i C = βi B transistorilla. Feteillä virtavahvistusta ei voi määritellä, koska i G = 0. Kyllästys- ja triodialueen rajalla molemmat yhtälöt antavat saman virran: i D = Ku 2 DS kun u DS = u GS U t (11)

2.4 FET kytkimenä 21 Yhtälöiden kertoimet riippuvat fetin tai tarkemmin sanottuna kanavan mekaanisista mitoista: K = 1 2 µc W OX L = kw L = 1 2 k W L (12) k = µc OX = 2k (13) C OX = ε rε 0 d (14) missä johtavuusparametri K 10...500 µa/v 2 voidaan laskea prosessiparametrin k tai transkonduktanssiparametrin k avulla. C OX on oksidikapasitanssi pinta-alayksikköä kohti, joka lasketaan tarvittaessa tasokondensaattorin kaavalla. Puhtaan piidioksidin suhteellinen permittiivisyys on ε r = 3,9, mutta kapasitanssin pienentämiseksi käytetään esimerkiksi hiilellä seostettua piidioksidia, jonka suhteellinen permittiviteetti on vain hieman yli kaksi. Kerroin µ on joko µ n = µ e (elektronien liikkuvuus) tai µ p (aukkojen liikkuvuus) riippuen siitä, onko kyseessä n- vai p-kanavainen FET. Tavallisesti µ n 1350 cm 2 /(Vs) ja µ p 480 cm 2 /(Vs). Elektronien ja aukkojen liikkuvuuden yksikkö on siis neliösenttiä volttisekunnissa. Koska suurempi liikkuvuus merkitsee yleensä nopeampaa toimintaa ja suurempia virtoja tietyllä aspektisuhteella W L (aspect ratio), ovat n-kanavaiset fetit parempia ja siten myös yleisempiä kuin p-kanavaiset. Parametrit k ja k liittyvät mosfetteihin. 2.4 FET kytkimenä Elektroniset kytkimet jaetaan kahteen pääryhmään: analogiset ja digitaaliset kytkimet. Esimerkiksi JA-porttia voidaan käyttää digitaalisena kytkimenä; se siirtää tulonavasta lähtöön ainoastaan tiedon loogisesta ykköstai nollatilasta. Mitään tietoa ei siirry, jos kytkimen ohjaus (toinen tulonapa) on nollatilassa. Analoginen kytkin siirtää lisäksi tiedon jännitteen suuruudesta, kuten mekaaninen kytkin. Analogisessa kytkimessä ei täten saisi muodostua jännitehäviötä kytkimen ollessa kiinni. Se toimii tietysti tarvittaessa myös digitaalisena kytkimenä.

22 2.4 FET kytkimenä u IN V D + V S1 Q V S Q 1 Q 2 R L u C u C + u C u IN R L V D2 Kuva 21. Kaksi tavallista FET-kytkintä: NMOS-kytkin ja CMOS-siirtoportti. CMOS-kytkimeen on merkitty fettien nuolet vastaten positiivista tulojännitettä. Negatiivisella tulojännitteellä D ja S vaihtavat paikkaa. NMOS-kytkimen D on vasemmalla, jos u IN > 0. Feteillä on kytkiminä monia etuja bipolaaritransistoriin verrattuna. Mm. kytkimen jännitehäviö on mahdollista tehdä paljon pienemmäksi (transistorilla on vaikea alittaa 0,1 voltin arvoa). Lisäksi fetit toimivat positiivisilla ja negatiivisilla jännitteillä yhtä hyvin, koska D ja S voidaan vaihtaa keskenään. Bipolaaritransistorissa tasajännitteen suuntaa ei käytännössä voi kääntää. Kuva 21 esittää yhdellä fetillä (NMOS) ja kahdella fetillä (NMOS + PMOS = CMOS) toteutettua kytkintä. Kuormavastus R L symboloi laitetta, johon signaali u IN viedään kytkimeltä. Ohjausjännitteelle u C riittää kaksi arvoa, joilla kytkin ohjataan kiinni tai auki. Koska kytkimen jännitehäviö on hyvin pieni, on u 2 DS likimain nolla. Tällöin virran yhtälö yksinkertaistuu kätevästi: i D = K[2(u GS U t )u DS u 2 DS] 2K(u GS U t )u DS (15) Myös U GS :ää laskettaessa voidaan usein olettaa, että V S V D. NMOSkytkimen "on-resistanssi" on tietysti r ON = r DS = u DS i D (16)