Číslo projektu
CZ.1.07/1.5.00/34.0581
Číslo materiálu
VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_16_Unipolární tranzistor
Název školy
Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno
Autor
Ing. Miroslav Krýdl
Tematická oblast
ELEKTRONIKA
Ročník
třetí
Datum tvorby
Srpen 2012
Anotace
Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům 3.ročníku, slouží jako doplněk učiva.
Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora
Unipolární tranzistor je polovodičový prvek, jehož označení unipolární vyjadřuje, že přenos náboje je v tomto tranzistoru uskutečňován pouze majoritními nositeli (na rozdíl od bipolárního tranzistoru). Skládá se z polovodičů typu N a P. Pro velký vstupní odpor se těmto tranzistorům také říká tranzistory řízené elektrickým polem (FET, Field-Effect Transistors). Velký vstupní odpor je velkou výhodou unipolárních tranzistorů oproti bipolárním, jejichž malý vstupní odpor se nepříznivě projevuje při zesilování signálů ze zdrojů s velkým vnitřním odporem. Vstupním obvodem unipolárního tranzistoru tak neteče proud a je, podobně jako elektronka, řízen napětím. Řídící elektrodou teče buď jen malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru nebo jí neteče prakticky žádný proud.
Unipolární tranzistor Tyto výhody umožňují unipolární tranzistor využívat v obvodech s vysokou hustotou integrace. Z principu funkce bipolárního tranzistoru totiž vzniká Jouleovo, které není schopný miniaturní čip odvést. Nevýhodou (danou právě vysokou vstupní impedancí) je možnost snadného poškození těchto tranzistorů statickým nábojem, zvláště při manipulaci před zapojením do obvodů. Další výhodou tohoto tranzistoru je že v I. kvadrantu je VA charakteristika silně (né ideálně) lineární, proto jej často používáme v analogovém režimu(nejčastěji jako zesilovač)minimální zkreslení. Existují dva druhy unipolárních tranzistorů: JFET (unipolární tranzistor s přechodovým hradlem) MOSFET (unipolární tranzistor s izolovaným hradlem)
Princip činnosti unipolárních tranzistorů (FET)
Obr. 1
Obr. 2 Obr. 3
Princip činnosti unipolárních tranzistorů (FET)
• výstupní (zatěžovací) proud teče jen jedním typem polovodiče (vodivým kanálem), neprochází tedy přes PN přechod jako u bipolárního • proud ve vodivém kanálu je řízen elektrickým polem – jde o FET tranzistory (Field Effect Transistor) • vodivý kanál může být typu P nebo N – jde o FET s kanálem N nebo P • koncové elektrody mají názvy: Source (zdrojová elektroda) Drain (odvod nábojů) Gate (řídicí elektroda)
Princip činnosti unipolárních tranzistorů (FET) • při výrobě FET je planární technologií v monokrystalu typu N nebo P vytvořen vodivý kanál difuzí tak, aby měl vodivost opačného typu než monokrystal – substrát B (angl. Bulk – hlavní část) •
substrát musí být vodivě spojen se Source, aby se při řízení mohly vyměňovat nosiče náboje mezi substrátem a kanálem
•
vysoká dotace P+ na kontaktních plochách s kovovými elektrodami zabraňuje vytvoření závěrné vrstvy mezi kovem a polovodičem
• Gate musí být izolován od kanálu, aby neprotékal proud mezi Source a Gate •
izolaci lze realizovat dvojím způsobem: • Izolační vrstvou – jde o IGFET • PN přechodem – jde o JFET
IGFET tranzistory - Princip činnosti název IGFET (Insulated Gate FET) • izolační vrstva slouží pro oddělení Gate od kanálu • na izolaci je napařen kov (elektroda – Gate)
IGFET tranzistory Podle izolační vrstvy a substrátu se IGFET dělí na: 1. MOSFET – (Metal Oxid Semiconductor FET) - izolační vrstva je SiO2, substrát tvoří křemík 2. MISFET – (Metal Insulator Semiconductor FET) - izolační vrstva SiO2, substrát galliumarsenid
Obr. 4
IGFET tranzistory - Druhy IGFET tranzistorů IGFET se zabudovaným (vestavěným) kanálem =ochuzovaný FET • kanál je vodivý i při UGS = 0 – elektrické pole UGS vytlačuje nosiče nábojů a přiškrcuje tak kanál
•
v IGFET s N kanálem pro UGS > 0 se začnou elektrony nasávat do kanálu
•
v IGFET s N kanálem pro UGS < 0 se začnou elektrony odčerpávat z kanálu – dojde k ochuzení kanálu o volné nosiče nábojů
Obr. 5
IGFET tranzistory - Druhy IGFET tranzistorů
IGFET s indukovaným kanálem = FET s obohaceným kanálem kanál je nevodivý při UGS = 0 – vodivý kanál je nutno vytvořit přiložením napětí mezi S a G
Obr. 6
Pravidla při manipulaci s IGFET tranzistory • protože elektroda Gate je galvanicky oddělena od kanálu, může se elektrostaticky nabíjet na vysoké napětí – dojde k proražení izolace •
při transportu a skladování je nutno spojit vývod Gate s ostatními vývody – tyto vodivé spoje lze odstranit až po zapájení tranzistoru
•
při pájení těchto tranzistorů je třeba zajistit jejich ochranu pomocí speciálního pracoviště
•
pro odstranění problémů se vyrábí IGFET s ochrannými přepěťovými diodami - transily
Obr. 7
JFET tranzistory - Princip činnosti • název JF-ET (junction FET, z angl. spojení), často označované jako PNFET • vodivý kanál může být P nebo N (častější je kanál N kvůli pohyblivosti elektronů) • elektroda Gate je vytvořena z opačného polovodiče než je vodivý kanál (vznikne vždy přechod PN) • mezi Gate a vodivým kanálem je izolace vytvořena závěrnou vrstvou PN přechodu (při správné polarizaci) • účinný průřez kanálu je tím menší, čím vyšší je napětí Gate – Source • toto předpětí mezi Gate – Source se nesmí přepólovat, jinak by se zrušila závěrná vrstva
Použité zdroje: Kesl, Jan. Elektronika I – Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1. Obr. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8: http://cs.wikipedia.org/wiki/Unipolarni_tranzistor Obr. 7: http://www.mikroelektro.utb.cz/e107_files/downloads/pr5.pdf.
