Váení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, e na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, e ukázka má slouit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, e není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále íøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura
[email protected]
Kapitola
3
UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY
3.1
Obecný popis
186
3.2
Unipolární tranzistory s pøechodovým hradlem (JFET)
189
3.3
MOSFET
204
3.4
MOSFET zvlátní konstrukce
215
3.5
Nastavení pracovního bodu
220
3.6
Základní zapojení FET
224
3.7
Pøíklady pouití
232
3
UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY
3.1
Obecný popis
Unipolární tranzistory se obvykle oznaèují zkratkou FET (Field-Effect-Transistor). Proud je u nich øízen elektrickým polem, které je kolmé ke smìru protékajícího proudu. Tato monost byla sice objevena ji v roce 1928, k praktickému vyuití dolo a po vývoji vhodných materiálù. Na obr. 3.1 je základní princip èinnosti FET.
Obr. 3.1
Základní princip èinnosti FET
Zatímco u bipolárních tranzistorù protéká hlavní proud vdy pøes rozhraní mezi polovodièovými materiály s dotací n a s dotací p, v unipolárním tranzistoru putují náboje jen jedním typem materiálu, podle provedení buï n, nebo p. Jestlie dráha proudu probíhá v materiálu s dotací n, mluvíme o typu s kanálem N (N-kanálem). U typu s kanálem P prochází proud naopak materiálem s vodivostí p. Podle toho proud u typu s kanálem P je zprostøedkován pouze dìrami, u typu s kanálem N pouze elektrony. Z toho dùvodu jsou prvky FET oznaèovány jako unipolární tranzistory. Dnes ji existují nejrùznìjí druhy unipolárních tranzistorù. Zásadní dìlení vak musíme vést mezi dvìma skupinami, a to mezi typy FET s pøechodovým hradlem (hradlem, izolovaným závìrnì polarizovaným pøechodem PN) a MOS-FET (MOS = metal-oxidesemiconductor). FET se závìrnou vrstvou jsou nazývány také jako JFET nebo PN-FET. U MOSFET mùeme také najít oznaèení IG-FET (IG = insulated gate). Na obr. 3.2 je pøehled rùzných typù unipolárních tranzistorù. FET s pøechodovým hradlem se dìlí na typy s kanálem N a s kanálem P. MOSFET se dìlí na typy, které bez vnìjího napìtí vedou a které bez vnìjího napìtí nevedou. Ty se
186
ELEKTRONIKA SOUÈÁSTKY A ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ
A
opìt dìlí na typy s kanálem N a s kanálem P. Kromì toho se vyskytují také typy se zvlátním konstrukèním provedením. Pro oznaèování rùzných typù a provedení FET nebylo vytvoøeno ádné schéma. Také jejich pouzdra se nelií od bipolárních tranzistorù.
Obr. 3.2
Pøehled rùzných typù unipolárních tranzistorù.
A na nìkterá zvlátní provedení mají unipolární tranzistory tøi vývody. Oznaèují se jako Source (angl. source = zdroj, zøídlo), Gate (angl. gate = brána, hradlo) a Drain (angl. drain = odtok, výpus). Elektroda Source (S) odpovídá emitoru, elektroda Gate (G) bázi a elektroda Drain (D) kolektoru bipolárního tranzistoru. V èeských textech bývá zachováno oznaèení hradla (G), elektroda S se oznaèuje jako emitor (E) a elektroda drain jako kolektor (C). Zde bude pouíváno originální oznaèení. Pro pøehled je uiteèné uvést základní pojmy anglické, èeské a nìmecké terminologie: anglicky
èesky
nìmecky
junction FET
FET s pøechodovým hradlem
Sperrschicht-FET
MOSFET, depletion type D-type
MOSFET s vodivým kanálem, ochuzovaný typ, s technologicky vytvoøeným kanálem
Selbstleitende MOS-FETs Verarmungstyp
MOSFET, enhancement type E-type
MOSFET s nevodivým kanálem, obohacovaný typ, s indukovaným kanálem
Selbstsperrende MOS-FETs Anreicherungstyp
A
3 UNIPOLÁRNÍ
TRANZISTORY
187
Obr. 3.3
Schematické znaèky unipolárních tranzistorù
Pro jednotlivé typy unipolárních tranzistorù se pouívají zvlátní schematické znaèky souhrnnì uvedené na obr. 3.3. Charakteristickou vlastností vech unipolárních tranzistorù je velmi vysoký vstupní odpor. U JFET s pøechodovým hradlem je asi 109 W, u MOSFET dokonce a 1015 W. U unipolárních tranzistorù je øízení proudu provádìno elektrickým polem pøi témìø nulovém výkonu. Z toho vyplývají mnohé výhody pøi jejich pouívání. Technika MOS se napø. stále více pouívá v obvodech s vysokou hustotou integrace. Podrobnìjí popis technických vlastností unipolárních tranzistorù uvádìjí výrobci v katalogových listech, stejnì jako u ostatních elektronických souèástí. Katalogové listy obsahují èást s nejdùleitìjími mezními hodnotami, èást s charakteristickými hodnotami a typické charakteristiky. Protoe øídicí výkon je vìtinou zcela zanedbatelný, je poèet charakteristik mení ne u bipolárních tranzistorù. Také u unipolárních tranzistorù existují teplotní závislosti charakteristických hodnot, na nì je nutné v praktickém pouívání brát ohled. Dále je tøeba poèítat se ztrátovým výkonem. Ten se mìní na teplo, které musí být odvedeno do okolního vzduchu. Souvislosti a vztahy jsou stejné jako u bipolárních tranzistorù. Kromì standardních provedení tranzistorù s pøechodovým hradlem a MOSFET existují ve skupinì MOSFET zvlátní typy, které jsou výsledkem dalího vývoje. Jsou to Dual-Gate MOSFET, V-MOSFET a SIPMOS-FET. Dual-Gate MOSFET mají dva øídicí vstupy, které lze pouít k navzájem nezávislému øízení dvìma vstupními signály. Tak lze napøíklad postavit zesilovaè, jeho zesílení je moné v irokém rozmezí mìnit. Typy VMOSFET a SIPMOS-FET byly vyvinuty pro zesilovaèe nebo pro spínání velkého výkonu a 5 kW. Výhodou pøitom je nepatrný øídicí výkon. Také u unipolárních tranzistorù je nutné nastavit a stabilizovat pracovní bod. Protoe unipolární tranzistory mají tøi vývody, je moné také je pouívat ve tøech základních zapojeních. Jsou to zapojení se spoleènou elektrodou source, drain a gate (SS, SD, SG, angl. CS, CD, CG = common source, drain, gate). Název vyjadøuje, která elektroda je spoleèná pro vstupní a výstupní signál. Zapojení se spoleènou elektrodou source odpovídá zapojení se spoleèným emitorem a je nejèastìji pouívaným zapojením. Zapojení se spoleènou elektrodou drain lze pøirovnat k zapojení se spoleèným
188
ELEKTRONIKA SOUÈÁSTKY A ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ
A
kolektorem a je pouíváno hlavnì pro transformaci impedance. Zapojení se spoleènou elektrodou gate vykazuje obdobné vlastnosti jako zapojení se spoleènou bází. Jeho pouití se omezuje na speciální pøípady. Unipolární tranzistory se jako diskrétní souèásti pouívají pøedevím ve stejnosmìrných zesilovaèích, ve zdrojích konstantního proudu a ve støídavých zesilovaèích. Pouití ve støídavých zesilovaèích se pøitom omezuje pøedevím na pøedzesilovaèe v nízkofrekvenèní a vysokofrekvenèním pásmu, také jako první stupnì vícestupòových zesilovaèù. Pouití unipolárních tranzistorù je výhodné v analogových integrovaných obvodech, nejvýznamnìjí oblastí pouití je vak digitální technika.
3.2
Unipolární tranzistory s pøechodovým hradlem (JFET)
3.2.1
Provedení a funkce
Èinnost unipolárního tranzistoru s pøechodovým hradlem lze vysvìtlit podle obr. 3.4. Je vytvoøen z tyèky polovodièového materiálu s vodivostí n nebo p. Na jejích koncích jsou umístìny kontaktní ploky, které ve styku s polovodièem netvoøí závìrnou vrstvu. Na obr. 3.4 je øez tranzistorem typu JFET s kanálem N.
Obr. 3.4
Øez tranzistorem typu JFET s kanálem N
Jako výchozí materiál unipolárního tranzistoru s kanálem N je pouit køemík s vodivostí n. Na delích stranách tyèky jsou oblasti s vodivostí p, vytvoøené dodateèným legováním, které jsou navzájem vodivì spojeny. Tím vzniknou proti sobì dva pøechody PN. Pøívod k obou oblastem p je zde oznaèen jako Gate (G). Tyto pøechody jsou dùvodem k oznaèení tìchto unipolárních tranzistorù jako PN-FET nebo JFET (Junction FET). Jestlie se nyní na vývody D a S pøiloí napìtí UDS, bude oblastí køemíkové tyèky s vodivostí n protékat proud elektronù ID. Pøi polaritì napìtí, uvedené na obr. 3.4, putují
A
3 UNIPOLÁRNÍ
TRANZISTORY
189
elektrony od pøívodu source (S) k pøívodu drain (D) oblastí køemíku s vodivostí n, oznaèenou zde jako kanál N. Pøiloením záporného napìtí -UGS mezi gate a source pole obr. 3.4 se oba pøechody PN dostávají do závìrného stavu. V køemíku s vodivostí n a s vodivostí p se pøitom vytvoøí závìrné vrstvy, take pøes tyto pøechody PN, které jsou pólovány v závìrném smìru, nemùe protékat proud. Závìrné vrstvy se vak rozíøí smìrem do kanálu a tím se sníí prùøez, kterým mùe protékat proud. Prùbìh takto vytvoøených závìrných oblastí je ovlivnìn úbytkem napìtí ve smìru proudových èar uvnitø kanálu. V blízkosti elektrody source je dráha proudu nejirí, ve smìru k elektrodì drain se zuuje. Èím vìtí je záporné napìtí -UGS mezi gate a source, tím irí jsou závìrné oblasti v kanálu a v dùsledku toho se zuuje prùøez, kterým mùe v kanálu protékat proud. Velikost odporu RDS, který je v cestì proudu mezi elektrodami source a drain, závisí tedy u JFET s kanálem N na velikosti závìrného napìtí -UGS. Proto je moné záporným napìtím na elektrodì G mìnit v irokých mezích odpor dráhy proudu. Kdy se napìtí -UGS zvìtí tak, e se závìrné oblasti dotknou, je kanál úplnì zakrcen a proud je pøeruen. Proud ID klesne k nule. Protoe pøechodem PN teèe v závìrném smìru jen velmi malý zbytkový proud, nevyaduje øízení proudu mezi elektrodami D a S napìtím -UGS prakticky ádný výkon.
3.2.2
Oznaèení a schematické znaèky
Protoe se unipolární tranzistory svými vlastnostmi a chováním výraznì lií od bipolárních tranzistorù, Pouívají se pro nì nejen jiné schematické znaèky, ale také jiné oznaèení elektrod. Na obr. 3.5 je uvedeno srovnání JFET s kanálem N a s kanálem P. Pøívod s oznaèením S dodává (emituje) nosièe náboje, proto je oznaèen jako Source (angl. source = zdroj, zøídlo). Elektroda s oznaèením D tyto nosiè zachycuje a odvádí, proto má název Drain (angl. drain = odtok, výpus). Pomocí pøívodu G se proud nosièù náboje øídí. Nese tedy oznaèení Gate (angl. gate = brána, hradlo). JFET s kanálem N pracuje s kladným napìtím UDS a se záporným napìtím UGS. Jako nosièe proudu slouí elektrony. U JFET s kanálem P vedou proud díry, proto pracuje se záporným napìtím UDS a s kladným napìtím UGS. Na obr. 3.5 jsou také normalizované schematické znaèky obou typù JFET. ipka v pøívodu hradla (gate) oznaèuje vdy smìr pøechodu od vrstvy p k vrstvì n. Kromì toho jsou zde také uvedena napìtí UDS a UGS, potøebná pro normální provoz tranzistoru. Také jsou zde uvedeny pøevodní charakteristiky pro oba typy. V obou pøípadech se pøi zvìtováním hodnoty napìtí UGS a UGS proud ID zmenuje.
3.2.3
Charakteristiky
3.2.3.1
Pøevodní charakteristika
Øízení prùtoku proudu kanálem je u unipolárních tranzistorù s pøechodovým hradlem provádìno zmìnou závìrného napìtí na pøechodech PN. Z obr. 3.4 je zøejmé, e se vyprázdnìné zóny v kanálu neroziøují rovnomìrnì. Ve smìru k elektrodì drain dochází
190
ELEKTRONIKA SOUÈÁSTKY A ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ
A
Obr. 3.5
Øezy strukturou, schematické znaèky a pøevodní charakteristiky pro JFET s kanálem N a P
ke klínovitému zúení, protoe se rozdíl napìtí mezi elektrodami G a D postupnì zvyuje. Kdy se napìtí mezi gate a source UGS zvýí natolik, e se závìrné oblasti dotknou, je kanál zakrcen a tím je prakticky zavøen. Napìtí, pøi kterém k tomuto jevu dojde, je oznaèováno jako prahové napìtí UP, anglicky pinch-off-voltage (napìtí pro zakrcení). Závislost proudu elektrodou drain ID na napìtí gatesource UGS mùe být stanovena v zapojení podle obr. 3.6. Pøi vyetøování vlastností typu s kanálem P postaèí pouze zmìnit polaritu obou napìtí.
A
3 UNIPOLÁRNÍ
TRANZISTORY
191