Tranzystory polowe druk
powrót

0. Wiadomości podstawowe
1. Klasyfikacja tranzystorów polowych
2. Zasada działania tranzystora JFET
3. Zasada działania tranzystora MOSFET
4. Podstawowe parametry tranzystora oraz parametry różniczkowe gm i gds - ich sens fizyczny
5. Sposoby polaryzacji tranzystora - praca w obszarze aktywnym, odcięcia, nasycenia
6. Przykładowe układy polaryzacji
7. Podstawowe charakterystyki
8. Schemat zastępczy tranzystora unipolarnego.

Literatura

1. "Sztuka elektroniki" P. Horowitz, W. Hill
2. "Układy półprzewodnikowe" U. Tietze, Ch. Schenk
3. "Elementy i układy elektroniczne" pod redakcją Stanisława Kuty
4. "Podstawowe układy elektroniczne" W.Nowakowski



Wiadomości podstawowe

    Tranzystory polowe w skrócie FET (Field Effect Transistor), są również nazywane unipolarnymi. Działanie tych tranzystorów polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośników, czyli albo elektronów albo dziur. Sterowanie transportem tych nośników, odbywającym się w części tranzystora zwanej kanałem, odbywa się za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką.
    Bramka jest odizolowana od kanału, a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego, znajdującymi się na obu końcach kanału (zwanych źródłem oraz drenem) występuje bardzo duża impedencją.
    Tranzystory polowe zajęły obecnie miejsce tranzystorów bipolarnych, zalicza się je do najczęściej stosowanych elementów dyskretnych. Rewelacyjne efekty można uzyskać, stosując tranzystory polowe w połączeniu z obwodami scalonymi, zarówno dla niskich jak i wysokich częstotliwości.



Klasyfikacja tranzystorów polowych

    Istnieją dwie zasadnicze grupy tranzystorów polowych, różniących się sposobem odizolowania bramki od kanału. Pierwsza to tranzystory polowe złączowe zwane także tranzystorami JFET, w których oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n. W drugiej grupie tranzystorów polowych bramka jest odizolowana od kanału cienką warstwą izolatora, którym jest najczęściej dwutlenek krzemu. Tranzystory nazywane są tranzystorami z izolowaną bramką lub tranzystorami MOSFET.
    Tranzystory MOSFET można podzielić dalej w zależności od rodzaju kanału na tranzystory z kanałem wbudowanym ( tranzystory normalnie załączone, tranzystory z kanałem zubożanym) oraz tranzystory z kanałem indukowanym (tranzystory normalnie wyłączone). Poniższa tabela przedstawia sześć typowych tranzystorów polowych z ich symbolami graficznymi, charakterystykami (opisanymi później) i krótkim opisem zastosowania.

złączowe z izolowaną bramką
z kanałem zubożanym z kanałem wzbogacanym
kanał typu n kanał typu p kanał typu n kanał typu p kanał typu n kanał typu p
Wzmacniacze zbudowane z elementów dyskretnych. Analogowe układy scalone. Wzmacniacze zbudowane z elementów dyskretnych. Analogowe układy scalone. Wzmacniacze w.cz. zbudowane z elementów dyskretnych. Cyfrowe układy scalone. Wzmacniacze w.cz. zbudowane z elementów dyskretnych.Cyfrowe układy scalone. Wzmacniacze mocy zbudowane z elementów dyskretnych. Cyfrowe układy scalone. Wzmacniacze mocy zbudowane z elementów dyskretnych. Cyfrowe układy scalone.

    Jak widać każdy rodzaj tranzystora polowego dzieli się dodatkowo na tranzystor z kanałem typu n lub p. Rodzaj kanału zależy od rodzaju nośników prądu. Dla tranzystorów z kanałem p są to dziury, a dla tranzystorów z kanałem n elektrony. Dla tranzystorów z kanałem n prąd płynący przez kanał jest tym mniejszy im mniejszy jest potencjał na bramce, a dla tranzystorów z kanałem p jest odwrotnie.



Zasada działania tranzystora JFET

    Zasadę działania opisują poniższe rysunki:


    Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału. Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n, a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym.


    Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału.


    Rezystancja będzie wówczas bardzo duża.
Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo.



Zasada działania tranzystora MOSFET

    Poniżej przedstawiono zasadę działania tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym typu n i podłożem typu p.


    Na powyższym rysunku przedstawiona jest sytuacja, w której polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem czyli brak jest kanału. Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGS>0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia, zwanej napięciem progowym UT, zaistnieje sytuacja przedstawiona na poniższym rysunku.


    Dodatni ładunek bramki spowodował powstanie pod jej powierzchnią warstwy inwersyjnej złożonej z elektronów swobodnych o dużej koncentracji oraz głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. Powstaje w ten sposób w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źródłem. Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, czyli od napięcia UGS. Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy niemalże liniowo od napięcia UDS. Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa, ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki, na skutek czego im bliżej drenu, tym różnica potencjałów pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy.


    Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff, lub wartość napięcia UDS zrówna się z poziomem napięcia UGS (UDS=UGS), powstały kanał całkowicie zniknie.


    Można zatem powiedzieć iż dla małych wartości napięcia dren-źródło omawiany tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor, którego rezystancję można regulować za pomocą napięcia bramka-źródło.



Podstawowe parametry tranzystora oraz parametry różniczkowe gm i gds - ich sens fizyczny

    Tranzystory unipolarne opisuje się, między innymi za pomocą następujących parametrów: