Tranzystory polowe

Tranzystory polowe
złączowe
kanał typu n
Wzmacniacze zbudowane z elementów dyskretnych. Analogowe układy scalone.

Typy tranzystorów polowych

Odpowiednio do zasady działania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych: złączowe (JFET, Junction FET) oraz z izolowaną bramką (IGFET, ang. Insulated Gate FET).

		Tranzystory polowe tak jak i tranzystory bipolarne są elementami półprzewodnikowymi lecz różnią się od bipolarnych tym, że są sterowane polem elektrycznym co oznacza, że nie pobierają mocy na wejściu. Pomimo takiej różnicy oba rodzaje tranzystorów mają wspólną cechę: są to elementy działające na zasadzie sterowania przepływem ładunku. W obu przypadkach są to elementy trzykońcówkowe, w których przewodność między dwoma końcówkami zależy od liczby nośników ładunków znajdujących się między nimi, a z kolei liczba nośników ładunków zależy od wartości napięcia doprowadzonego do elektrody sterującej zwanej bazą w tranzystorach bipolarnych lub bramką w tranzystorach polowych. Na rys.1 przedstawione są symbole graficzne tranzystorów polowych. Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - źródło, G - bramka. Elektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E odpowiada źródło S, a bazie B odpowiada bramka G. Działanie tranzystora polowego polega na sterowaniu przepływem prądu przez kanał za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego przez napięcie doprowadzone do bramki. Ponieważ w tranzystorze polowym nie ma żadnych przewodzących złącz więc do bramki nie wpływa ani z niej nie wypływa żaden prąd i jest to chyba najważniejsza cecha tranzystorów polowych. Z właściwości tej wynika duża wartość rezystancji wejściowej tranzystora polowego co szczególnie w zastosowaniach takich jak przełączniki analogowe trudno jest przecenić.
Tranzystor JFET Schemat struktury i działanie tranzystora polowego złączowego JFET przedstawione jest na rysunkach a)b)c)d). Oczywiście jest to duże uproszczenie ale pomoże w zrozumieniu mechanizmów jakie zachodzą w tranzystorze JFET. W tranzystorze polowym JFET elektrody D (dren) i S (źródło) dołączone są do płytki półprzewodnika, a złącze p-n występuje między tą płytką a obszarem bramki G co pokazane jest na rys.a). Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę przekroju kanału. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n, a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym. Ze względu na to, że w obwodzie wejściowym tranzystora JFET występuje złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym, rezystancja wejściowa takich tranzystorów jest bardzo duża. Pod wpływem napięcia UGS polaryzującego zaporowo złącze p-n, warstwa zaporowa rozszerzy się tak, jak to pokazane jest na rysunku 1 b), przekrój kanału tym samym zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie. Łatwo można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy zaporowe połączą się i kanał zostanie zamknięty, a jego rezystancja będzie bardzo duża. Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo. Rezystancja kanału może zmieniać się od kilkudziesięciu omów, przy braku polaryzacji, do wielu megaomów w warunkach zamknięcia. Napięcie UGS, przy którym następuje zamknięcie wynosi od 1V do 10V zależnie od typu tranzystora. Sytuacja omawiana wyżej przy pomocy rysunków1 a) i b) nie jest ścisła gdyż nie uwzględnia wpływu napięcia UDS. Na rysunku 1 c) i d) przedstawiona jest sytuacja gdy doprowadzone jest napięcie UDS między dren i źródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła. Jak widać na rys.1 c) w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia UGS dodaje się spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a źródłem S. Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje dalsze rozszerzanie warstwy zaporowej aż do zamknięcia kanału, co powoduje stan nasycenia. W takiej sytuacji dalszy wzrost napięcia UDS nie będzie powodował praktycznie dalszego wzrostu prądu drenu ID gdyż warstwa zaporowa będzie się rozszerzała w kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale pozostanie praktycznie stały (patrz rys. 1d)). Wobec tego swobodne elektrony w kanale poruszać się będą przez obszar o stałych wymiarach i stałym spadku napięcia, przez warstwę zaporową w kierunku drenu. Tranzystor MOSFET Na rysunku przedstawiony jest schemat struktury tranzystora MOSFET z kanałem typu n (o podłożu typu p). Na początek kilka wyjaśnień: - obszar zaznaczony n^+ jest silnie domieszkowanym półprzewodnikiem typu n, - źródło S i podłoże B są zwarte ze sobą i stanowią punkt wspólny dla potencjałów drenu D i bramki G. Na rys. 2a) przedstawiona jest sytuacja gdy polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takim przypadku struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n^+ (dren i źródło) rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie). Wokół obszarów źródła i drenu występuje typowy dla złączy pn obszar ładunku ujemnych jonów domieszki akceptorowej. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem czyli brak jest kanału. Na kolejnym rysunku 2b) pokazana jest sytuacja gdy bramka jest spolaryzowana napięciem UGS>0. Dodatni ładunek spolaryzowanej bramki indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i źródłem w postaci kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia UGS. Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu UDS>0 tak jak pokazane to jest na rys.2 c) to popłynie prąd drenu ID tym większy im większe będzie napięcie UDS. Zależność prądu drenu ID od napięcia drenu UDS nie jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne UDS zmienia stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy. Ze wzrostem UDS całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy UDS=UGS kanał w pobliżu drenu przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Taka sytuacja przedstawiona jest na rys. 2 d). Dalszy wzrost napięcia drenu UDS będzie powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu ID.
	a)
	b)
	c)
	d) rys. 1
	a)
	b)
	c)
	d) rys. 2.

		Charakterystyki tranzystora polowego Na rysunku 3 przedstawiona jest charakterystyka wyjściowa ID(UDS) tranzystora MOSFET z kanałem typu n. Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części: obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). Na rys. 3 obszary te są rozdzielone niebieską linią, której kształt przypomina parabolę. W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje się jak bardzo dobry element transkonduktancyjny, tzn. taki dla którego prąd ID jest praktycznie stały dla różnych napięć UDS. Natomiast dla małych wartości UDS, czyli w obszarze nienasycenia, zachowuje się on jak rezystor, tzn. ID jest proporcjonalny do UDS. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu ID jest funkcją napięcia bramka-źródło UGS, a ściślej rzecz biorąc jest funkcją różnicy (UGS- UP), gdzie UP jest napięciem progowym. Obszar liniowy, w którym prąd drenu jest prawie proporcjonalny do UDS, rozciąga się od UDS=0V do UDS= UDS(sat). Na prawo od UDS(sat) charakterystyki prądu drenu ID biegną prawie poziomo. W obszarze nienasycenia nachylenie charakterystyki czyli ID/UDS, jest proporcjonalne do (UGS- UP). Napięcie dren-źródło, dla którego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia jest równe UDS(sat)=(UGS- UP). W efekcie daje to proporcjonalność prądu nasycenia drenu ID(sat) do (UGS- UP)^2, czyli kwadratową zależność prądu drenu od napięcia sterującego. Bardziej ogólne równania prądu drenu tranzystora polowego można przedstawić przy pomocy poniższych wzorów: - dla obszaru liniowego ID=B[(UGS- UP)UDS- UDS^2/2] - dla obszaru nasycenia ID=B/2 [(UGS- UP)^2 Jeżeli różnicę (UGS- UP) nazwie się wysterowaniem bramki, to można na podstawie przedstawionej charakterystyki powiedzieć, że: - w obszarze nienasycenia (liniowym) rezystancja kanału jest odwrotnie proporcjonalna do wysterowania bramki, - granicą obszaru liniowego jest linia, dla której napięcie dren-źródło jest równe wysterowaniu bramki UDS=(UGS- UP), - prąd nasycenia drenu jest proporcjonalny do kwadratu wysterowania bramki.
rys. 3
rys. 4. Charakterystyki przejściowe ID(UGS) dla różnych typów tranzystorów przedstawione są na rys. 4.