Tranzystory unipolarne (polowe)
Tranzystory unipolarne, nazywane również tranzystorami polowymi, stanowią grupę kilku
rodzajów elementów, których wspólną cechą jest pośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na
rezystancję półprzewodnika lub na rezystancję cienkiej warstwy nie przewodzącej. Do tej grupy
zaliczamy tranzystory, których prąd wyjściowy jest funkcją pola elektrycznego istniejącego pod
wpływem napięcia sterującego wejściowego. Teoretycznie sterowanie pracą tranzystora polowego
może odbywać się bez poboru mocy. W działaniu elementu udział bierze tylko jeden rodzaj nośników
ładunku, stąd nazwa polowy (unipolarny).
Tranzystory polowe, zwane w skrócie FET (ang. Field Effect Transistor), mają kanał typu P lub
kanał typu N, który może być wzbogacony lub zubożony. W tranzystorach z kanałem typu N nośnikami
prądu są elektrony, a w tranzystorach z kanałem typu P nośnikami prądu są dziury. W tranzystorach
polowych między elektrodami płynie prąd nośników jednego rodzaju, prąd nośników większościowych.
Typy tranzystorów unipolarnych
1. Złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest połączona z obszarem kanału; ze
względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się:
- tranzystory ze złączem p-n (PNFET);
- tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (Metal-Semiconductor FET,
MESFET).
2. Z izolowaną bramką (IGFET, Insulated Gate FET) - bramka jest odizolowana od kanału; ze
względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory:
- MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane z półprzewodnika
monokrystalicznego; ponieważ tutaj najczęściej rolę izolatora pełni tlenek krzemu SiO2 (ang. oxide),
toteż tranzystory te częściej nazywa się MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET) lub
krócej MOS. Dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na:
- tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy braku napięcia bramka-z
ródło kanał
jest otwarty;
- tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których przy braku napięcia bramka-z
ródło
kanał jest całkowicie zatkany;
- TFT (Thin Film Transistor) wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego. Ponieważ
tranzystory
tego typu są wytwarzane w taki sam sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe, toteż
nazywane są tranzystorami cienkowarstwowymi.
Zalety tranzystorów polowych
- duża rezystancja wejściowa,
- małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości),
- możliwość autokompensacji temperaturowej,
- odporność na promieniowanie,
- małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych.
 W tranzystorach polowych elektrody mają swoją nazwę i określony symbol:
- z
ródło (ang. Source), oznaczone literą S. Jest elektrodą z której wypływają nośniki ładunku
do kanału. Prąd z
ródła oznacza się jako IS;
- dren (ang. Drain), oznaczone literą D. Jest elektrodą do której dochodzą nośniki ładunku.
Prąd drenu  ID, napięcie dren-z
ródło  UDS.;
- bramka (ang. Gate), oznaczone literą G. Jest elektrodą sterującą przepływem ładunków. Prąd
bramki  IG, napięcie bramka-z
ródło  UGS.
Tranzystory polowe złączowe
Tranzystor polowy złączowy składa się zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu n  w
tranzystorach z kanałem typu N lub z półprzewodnika typu p  w tranzystorach z kanałem typu P.
Warstwa ta tworzy kanał. Do obu końców kanału dołączone są elektrody. Tranzystor może być także
wzbogacany lub zubożany.
Symbole graficzne tranzystora polowego złączowego JFET: a) z kanałem typu N, b) z
kanałem typu P
Zasada działania tranzystora polowego JFET
y
ródło i dren tranzystora polowego są spolaryzowane tak, aby umożliwić przepływ nośników
większościowych przez kanał w kierunku od z
ródła do drenu. W tranzystorze z kanałem typu P od
z
ródła do drenu przepływają dziury, a w tranzystorze z kanałem typu N od z
ródła do drenu przepływają
elektrony. Złącze bramka-kanał w obu tranzystorach powinny być spolaryzowane w kierunku
zaporowym.
Zasada działania tranzystora polowego JEFT pokazana jest na rysunku przedstawionym poniżej.
Jeżeli napięcie UGS = 0 i UDS. ma małą wartość (rys. a),to prąd zmienia się liniowo w funkcji
przykładnego napięcia  tranzystor zachowuje się jak rezystor. Podczas narastania napięcia UDS. złącze
kanał-bramka (PN) jest coraz silniej polaryzowane zaporowo, przy czym polaryzacja ta jest silniejsza w
pobliżu drenu (rys. b). Przy pewnej wartości napięcia UDS = UDssat = Up, następuje zamknięcie
(odcięcie) kanału (rys. c) przy drenie.
Dalszy wzrost napięcia powoduje, że kanał jest zamykany coraz bliżej z
ródła (punkt Y  Y ). Przyrost
napięcia rozkłada się na warstwie zaporowej, nie powodując dalszego wzrostu prądu. Rozszerza się
warstwa zaporowa, czyli zwiększa głębokość jej wnikania w kanał. Tranzystor wchodzi w stan
nasycenia, a prąd przez niego płynący jest prądem nasycenia.
Zasada działania tranzystora polowego  JFET a) brak polaryzacji, b) rozszerzenie się warstwy zaporowej w wyniku
przyłożonego napięcia UDS, c) odcięcie kanału (Y), d) nasycenie tranzystora, Up = UGsoff  napięcie odcięcia
kanału
Parametry i charakterystyki tranzystora polowego JFET
Tranzystory polowe charakteryzują się:
- parametrami statycznymi dla dużych wartości sygnałów,
- parametrami dynamicznymi dla małych wartości sygnałów.
Właściwości statyczne tranzystora polowego opisują rodziny charakterystyk
przejściowych iwyjściowych.
Charakterystyka przejściowa  przedstawia zależność prądu drenu ID od napięcia bramka-z
ródło
UGS, przy ustalonej wartości napięcia dren-z
ródło UDS. Charakterystyki przejściowe zależą od
temperatury.
Napięcie odcięcia bramka-z
ródło UGS(off) - jest to napięcie, jakie należy doprowadzić do bramki,
aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu.
Charakterystyka wyjściowa - przedstawia zależność prądu drenu ID od napięcia dren-z
ródło UDS,
przy stałym napięciu bramka-z
ródło UGS.
Prąd nasycenia IDSS - jest to prąd płynący przy napięciu UGS = 0 i określonym napięciu UDS.
Parametry statyczne tranzystora polowego JFET
Parametry statyczne:
- prąd wyłączenia ID(off),
- rezystancja statyczna włączenia RDS(on),
- rezystancja wyłączenia RDS(off),
- prądy upływu.
Parametry graniczne:
- dopuszczalny prąd drenu IDmax, (od kilku do kilkudziesięciu miliamperów),
- dopuszczalny prąd bramki IGmax,
- dopuszczalne napięcie dren-z
ródło UDsmax, (od kilku do kilkudziesięciu woltów) lub bramka-
z
ródło UGsmax,
- dopuszczalne straty mocy, Ptotmax PDmax(od kilkudziesięciu do kilkuset miliwoltów).
Tranzystory z izolowaną bramką MOSFET
Tranzystor z izolowaną bramką jest to najczęściej tranzystor o konstrukcji MIS (MOS) z kanałem
typu N lub typu P, izolowanym od bramki warstwą dielektryka.
Zasada działania tranzystora MIS (MOS) zostanie omówiona na przykładzie najczęściej spotykanej
polaryzacji, tj. przy zwartym z
ródle i podłożu. Jeżeli do bramki zostanie przyłożone napięcie
dodatnie,to powstanie kanał wzbogacony, a jeśli ujemne, to powstanie kanał zubożony. W tranzystorze
z kanałem wzbogaconym, wzrost napięcia UGS powyżej wartości napięcia progowego UT powoduje
powstanie kanału.
Napięcie progowe UT jest to napięcie, jakie należy przyłożyć do bramki, aby powstała warstwa
inwersyjna.
Każdy następny przyrost napięcia UGS powoduje przyrost ładunku wprowadzanego przez bramkę,
który jest kompensowany ładunkiem nośników powstającego kanału. W tranzystorze z kanałem
zubożonym, wzrost napięcia UGS powoduje silniejsze zubożenie kanału, aż wreszcie przy pewnej jego
wartości, równej tzw.napięciu odcięcia Ugsoft, kanał zanika.
Jeżeli napięcia UDS. i UGS będą porównywalne, to prąd drenu będzie zależny liniowo od napięcia UDS 
kanał pełni wówczas funkcję rezystora liniowego. Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje, tak jak w
tranzystorze złączowym, spadek napięcia na rezystancji kanału. W okolicy drenu następuje
zmniejszanie inwersji, aż do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy o odcięciu kanału. Wartość napięcia
UDS, przy której następuje odcięcie kanału nazywamy napięciem nasycenia. (rys. b).
Dalszy wzrost napięcia UDS nie powoduje już wzrostu prądu drenu, ale wpływa na odcięcie kanału
bliżej z
ródła. Mówimy wówczas, że tranzystor pracuje w stanie nasycenia (rys. c).
Tranzystor MOSFET to tranzystor polowy, w którym bramka jest oddzielona od kanału cienką
warstwą izolacyjną, najczęściej utworzoną z dwutlenku SiO2. Dzięki odizolowaniu bramki, niezależnie
od jej polaryzacji, teoretycznie nie płynie przez nie żaden prąd.
Praktycznie w tranzystorach JFET prądy bramki są rzędu 1pA, 10nA, a w tranzystorach MOSFET ok.
103 razy mniejsze. Dlatego też w tranzystorach JFET możemy uzyskać rezystancję wejściową układu
równą 109 , 1012 W, a w przypadku tranzystorów MOSFET rezystancja wejściowa jest równa 1012,
1016 W.
W zależności od zjawisk fizycznych i od polaryzacji bramki, w tranzystorze tym może powstawać:
- kanał indukowany - kanał w postaci warstwy inwersyjnej, np. kanał typu N ma bardzo dużo
elektronów, a mało dziur,
- kanał wbudowany - kanał w postaci warstwy akumulacyjnej wzbogacanej, np. kanał typu N
ma dużo dziur i bardzo dużo elektronów,lub zubożonej, np. kanał typu N ma mało elektronów i mało
dziur. Są one inaczej określane jako warstwy domieszkowane o przeciwnym typie przewodnictwa w
stosunku do podłoża.
W tranzystorach z kanałem wbudowanym przy napięciu UGS = 0 płynie pewien prąd, który
zmniejsza się przy zwiększaniu napięcia sterującego bramki. Takie tranzystory nazywa
się tranzystorami normalnie złączonymi lub pracującym na zasadzie zubożania nośników w kanale
(tranzystory z kanałem zubożanym).
W tranzystorach z kanałem indukowanym, gdy do bramki doprowadzi się napięcie ujemne w
stosunku do podłoża, z
ródło zostaje oddzielone od drenu dwoma przeciwnie spolaryzowanymi złączami
p-n. Jest to tzw. stan akumulacji. Prąd z
ródło-dren stanowi wtedy prąd wsteczny jednego ze złączy.
Ma on znikomo małą wartość. Mały prąd płynie także przy UGS = 0. Dlatego też te tranzystory
nazywane są tranzystorami normalnie wyłączonymi.
Gdy do bramki doprowadzi się napięcie dodatnie w stosunku do podłoża, wówczas po przekroczeniu
pewnej wartości, tzw. napięcia progowego UT, przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa
przeciwnego typu niż półprzewodnik stanowiący podłoże. Jest to warstwa inwersyjna. Warstwa ta
stanowi zaindukowany kanał, który po doprowadzeniu napięcia polaryzującego z
ródło-dren - umożliwia
przepływ prądu od z
ródła do drenu. Ze wzrostem napięcia UGS wzrasta prąd drenu. Tranzystory te
nazywane są tranzystorami z kanałem wzbogaconym.
Tranzystory z kanałem zubożanym i tranzystory z kanałem wzbogacanym mogą mieć kanały
typu N lub typu P. Istnieją cztery podstawowe rodzaje tranzystorów z izolowaną bramką.
Tranzystory MOSFET charakteryzują się tymi samymi parametrami co tranzystory JFET. Tranzystory
MOSFET mają czwartą elektrodę - podłoże, oznaczone symbolem B. Spełnia ona podobną rolę
sterującą jak bramka. Jest ona oddzielona od kanału tylko złączem p-n. Gdy nie korzysta się z funkcji
podłoża, wówczas łączy się je ze z
ródłem. Połączenie to może być wykonane wewnątrz obudowy i
wtedy nie ma wyprowadzenia na zewnątrz.
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 póz
niej) i krótkim opisem zastosowania.
z izolowaną bramką
złączowe
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 Wzmacniacze Wzmacniacze Wzmacniacze Wzmacniacze
Wzmacniacze w.cz.
zbudowane z zbudowane z w.cz. zbudowane mocy zbudowane z mocy zbudowane
zbudowane z
elementów elementów z elementów elementów z elementów
elementów
dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych. dyskretnych.
dyskretnych.Cyfrowe
Analogowe Analogowe Cyfrowe układy Cyfrowe układy Cyfrowe układy
układy scalone.
układy scalone. układy scalone. scalone. scalone. 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.
 Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-z
ródło (UGS) przy stałym napięciu dren-
z
ródło (UDS).
Charakterystyka ta dla różnych typów tranzystorów przedstawiona została poniżej.
Charakterystyka Wyjściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-z
ródło (UDS), przy stałym
napięciu bramka-z
ródło (UGS). Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części:
obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone
niebieską linią, której kształt przypomina parabolę.
W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy.
Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo.
W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu, natomiast bramka
zachowuje właściwości sterujące.
__________________________________________________________________________________
Poniżej przedstawiony został schemat zastępczy tranzystora unipolarnego w układzie ze wspólnym z
ródłem.
Schemat ten zawiera z
ródło prądowe o wydajności równej iloczynowi transkonduktancji gm oraz napięcia Ugs doprowadzonego
pomiędzy bramkę i z
ródło. Prąd wyjściowy Id=gmUgsjest zatem zależny od napięcia sterującego Ugs.