13 - Tranzistory unipolární


Unipolární tranzistory - FETy (z angl.) jsou tranzistory řízené elektrickým polem, kde se vedení proudu v tranzistoru účastní vždy jen většinové nosiče náboje. Charakteristickou vlastností těchto tranzistorů je, že jeho výstupní výkon lze řídit elektrickým nábojem přivedeným na řídící elektrodu (hradlo). Řídící veličinou je zde elektrické pole, vyvolané tímto nábojem mezi vstupními svorkami a řízení se děje bez přiváděného reálného výkonu.

Unipolárních tranzistorů existuje několik druhů, lišících se vnitřním uspořádáním, fyzikálními vlastnostmi a obvodovými vlastnostmi. Základní druhy unipolárních tranzistorů:

A) Unipolární tranzistor s izolační vrstvou - tranzistory typu MISFET nebo MOSFET (viz dále)

a) s indukovaným kanálem

b) s vodivým kanálem

B) Unipolární tranzistor s přechodovým hradlem (JFET)


A) Unipolární tranzistory s izolační vrstvou

Tyto tranzistory mohou mít následující základní strukturu:

- kov-izolant-polovodič = MISFET

- kov-oxid (izolant)-polovodič = MOSFET


a) Unipolární tranzistor s indukovaným kanálem:




Vnitřní uspořádání této součástky je zjednodušené na obrázku, včetně schématické značky pro kanál N (obr. a) a pro kanál P (obr. b). V základní destičce s vodivostí např. typu P jsou difúzí vytvořeny silně dotované oblasti emitoru E a kolektoru C typu N+. Povrch destičky je pokryt vrstvou izolantu (např. SiO2 - MOSFET). Na izolační vrstvě je nanesena kovová řídící elektroda G (hradlo).

Poznámka: kolektor se většinou označuje jako D - Drain a emitor S - Source.

K tranzistoru postupně připojíme dva vnější zdroje s příslušnou polaritou (viz obr.). Nejdříve připojíme zdroj emitor-kolektor Uce. Přiloženým napětím Uce je emitorový přechod polarizován v propustné směru a kolektorový přechod je polarizován závěrně. Mezi emitorem a kolektorem prochází tudíž pouze velmi malý závěrný proud kolektorového přechodu.

Nyní připojíme vnější zdroj emitor-hradlo Uge. Kladné napětí na hradlu vyvolá v izolační vrstvě elektrické pole, které z oblasti pod izolační vrstvou odpuzuje kladné nosiče (díry) a naopak přitahuje záporné nosiče (elektrony). Se zvětšujícím se napětím Uge se zvětšuje koncentrace elektronů na úkor děr, až při překročení prahového napětí převládnou v tenké vrstvě pod povrchem destičky elektrony nad dírami. Tyto převládající elektrony jsou volnými nosiči, pro něž je kolektorový přechod otevřen. Mezi emitorem a kolektorem se tak elektrostatickou indukcí vytvořilo vodivé spojení - tzv. indukovaný kanál, který má v tomto případě vodivost typu N.

Čím bude kladné napětí na hradle G vyšší, tím bude indukovaný kanál širší a kolektorový proud Ic vyšší - tzv. obohacovací režim.

K popsané součástce existuje i tranzistor s indukovaným kanálem P, jehož činnost je obdobná. V jeho struktuře jsou zaměněny typy vodivostí všech oblastí, nosiče proudu mají opačné znaménko a vnější zdroje jsou polarizovány opačně.


b) Unipolární tranzistor s vodivým kanálem



Vnitřní uspořádání této součástky je zjednodušené na obrázku, včetně schématické značky pro kanál N (obr. a) a pro kanál P (obr. b). V základní destičce s vodivostí např. typu P jsou difúzí vytvořeny silně dotované oblasti emitoru E a kolektoru C typu N+ a tenká vrstva mezi oblastí emitoru a kolektoru s vodivostí typu N, čímž vznikne vodivá cesta - tzv. vodivý kanál, nepřerušená přechody PN. Povrch destičky je pokryt vrstvou izolantu (např. SiO2 - MOSFET). Na izolační vrstvě je nanesena kovová řídící elektroda G (hradlo).

Po připojení zdroje emitor-kolektor Uce s příslušnou polaritou (viz obr.) prochází mezi emitorem a kolektorem vodivým kanálem proud , odpovídající průřezu vodivého kanálu a koncentraci nadifundovaných příměsí.

Nyní připojíme vnější zdroj emitor-hradlo Uge. Je-li na hradlu kladné napětí, vyvolá se v izolační vrstvě elektrické pole, které z oblasti pod izolační vrstvou bude odpuzovat kladné nosiče (díry) a naopak přitahovat záporné nosiče (elektrony). Koncentrace elektronů ve vodivém kanálu se zvětší a vodivost kanálu i kolektorový proud Ic se zvětší taktéž. Vodivý kanál typu N se při napětích Uge > 0 obohatil o volné nosiče, tj. pracoval v tzv. obohacovacím (obohaceném) režimu.

Je-li na hradlu záporné napětí, vyvolá se v izolační vrstvě elektrické pole, které z oblasti pod izolační vrstvou bude odpuzovat záporné nosiče (díry) a naopak přitahovat kladné nosiče (elektrony). Koncentrace elektronů ve vodivém kanálu se zmenší a vodivost kanálu i kolektorový proud Ic se zmenší taktéž. Vodivý kanál typu N se při napětích Uge < 0 ochudil o volné nosiče, tj. pracoval v tzv. ochuzovacím (ochuzeném) režimu.

K popsané součástce existuje i tranzistor s indukovaným kanálem P, jehož činnost je obdobná. V jeho struktuře jsou zaměněny typy vodivostí všech oblastí, nosiče proudu mají opačné znaménko a vnější zdroje jsou polarizovány opačně.


B) Unipolární tranzistor s přechodovým hradlem (JFET)





Vnitřní uspořádání této součástky je zjednodušené na obrázku, včetně schématické značky pro kanál N (obr. a) a pro kanál P (obr. b). Kanál je tvořen základní destičkou např. s vodivostí typu N, opatřenou na obou vzdálenějších koncích kontakty emitoru E a kolektoru C. V kanálu jsou vytvořeny dvě bohatě dotované oblasti typu P+, jejichž vývody bývají spojeny a tvoří spolu řídící elektrodu (hradlo) G. Přechod PN mezi hradlem a kanálem musí u tohoto tranzistoru zastávat funkci izolační vrstvy, a proto hradlo musí být přiloženým napětím Uge polarizováno v závěrném směru.

Připojíme-li kladné napětí emitor-kolektor Uce (viz obr.), a pokud je napětí Uge na hradle nulové, prochází kanálem kolektorový proud Ic závisející na koncentraci nosičů kanálu a na jeho průřezu.

Po připojení napětí Uge , příslušně polarizovaného - závěrně polarizované (viz obr.), se vytvoří záporné elektrické pole, které odpuzuje elektrony z blízkosti PN přechodů hradla směrem ke středu kanálu, čímž se účinný průřez kanálu zmenšuje, a to tím více čím vyšší je napětí Uge. V krajním případě může dojít k úplnému uzavření kanálu a k zániku kolektorového proudu Ic.


Z popsaného principu tranzistoru plyne, že tento tranzistor může pracovat výhradně v tzv. ochuzovacím (ochuzeném) režimu, neboť v obohacovacím režimu by se přechod PN otevřel a ztratil by schopnost řídit proud tranzistoru.

K popsané součástce existuje i tranzistor s indukovaným kanálem P, jehož činnost je obdobná. V jeho struktuře jsou zaměněny typy vodivostí všech oblastí, nosiče proudu mají opačné znaménko a vnější zdroje jsou polarizovány opačně.


Všeobecné vlastnosti unipolárních tranzistorů

Unipolární tranzistory se vyznačují vysokou vstupní impedancí (řádově 1000 T), malou vstupní kapacitou (řádově jednotky pF). U těchto tranzistorů je kritickou hodnotou (zvláště i tranzistorů typu MIS) největší dovolené napětí mezi hradlem a emitorem Uge (popř. kolektorem). Překročení tohoto napětí způsobí elektrický průraz izolační vrstvy, čímž se tranzistor znehodnotí. Nebezpečné v tomto směru jsou i elektrostatické náboje, které se objeví na hradle při pouhém dotyku ruky (proto tranzistory mají tzv. zkratovací spojku mezi hradlem a emitorem). Velikost mezního napětí hradla bývá 20 V až 100 V.


dlabos.wz.cz