Tranzystor to półprzewodnikowy element elektroniczny. Zaliczamy go elementów aktywnych gdyż umożliwia przekształcanie energii elektrycznej. Rozwinięcie skrótu MOSFET to Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor i oznacza tranzystor polowy o strukturze metal-tlenek-półprzewodnik.

Produkowane w tej technoligii tranzystory składają się z trzech warstw. Najniższa z nich to płytka wycięta z jednorodnego kryształu krzemu, ewentualnie z krzemu z domieszką germanu. Druga w kolejności warstwa to napylona bardzo cieniutka warstwa dielektryka czyli izolatora w postaci krzemionki lub tlenku metalu (tlenki glinu lub cyrkonu). Grubość tej warstwy wynosi w zależności od wykonania około 10 nm (0,000 000 01 metra), a w najlepszych wykonaniach dochodzi obecnie do 1,2 nm. Dla porównania: 5 atomów krzemu ułożonych jeden na drugim ma właśnie grubość zbliżoną do 1,2 nm. Ostatnia warstwa to dobrze przewodzący metal. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu złoto. Budowa takiego tranzystora schematycznie przedstawiona jest rysunku 1.

Rys. 1. Uproszczony schemat budowy tranzystora MOSFET typu N.

Należy zaznaczyć, że MOSFETy występują w dwóch odmianach: typu N orazy typu P, prawie analogicznie jak w przypadku tranzystorów bipolarnych, które produkowane są w odmianach PNP i NPN. Jednak zdecydowanie częściej spotyka się odmianę N. Dodatkowo rozróżniamy MOSFETy z kanałem zubożonym czyli takie które normalnie są włączone (przy zerowym napięciu bramka-źródło przewodzą na drodze źródło-dren, w praktyce nie spotykane), oraz z kanałem wzbogaconym, czyli takie, które w normalnym stanie są wyłączone i nie przewodzą na drodze źródło-dren. Przewodzą dopiero gdy napięcie między bramką a źródłem przekroczy wartość UGSth (zwane napięciem progowym otwierania, różnym dla różnych MOSFETów, wynoszącym kilka woltów, ale zazwyczaj nie wolno przekroczyć wartości około ±15...±20V bo skończy się to uszkodzeniem tranzystora).

Rys. 2. Symbole MOSFETów z kanałem wzbogaconym.

Dużą zaletą tranzystorów unipolarnych, a więc MOSFETów jest to, że są one sterowane napięciowo, w przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, które sterowane są prądowo. Dzięki temu łatwiej zrozumieć zasadę ich działania. A działają prawie jak zawory hydrauliczne.

Taki zawór można bardzo łatwo zamykać i otwierać, używając do tego niewielkiej siły aby sterować przepływem cieczy pod wysokim ciśnieniem w grubej rurze. Innymi słowy niewielkim nakładem pracy uzyskujemy duży efekt. Można powiedzieć, że zawór jest w tym przypadku wzmacniaczem.

Niewielka siła jaką wkładamy w przekręcenie kurka steruje o wiele większą siłą wody, która napiera na zawór. Dzięki tej ich właściwości możemy sterować prądami i napięciami, które są dużo wyższe niż te, które oferuje nam mikroprocesor bezpośrednio na swoich wyjściach.

Rys. 4 Zasada działania MOSFETa z kanałem N

Jak już zostało wcześniej wspomniane, typowy MOSFET normalnie nie przewodzi prądu na drodze źródło-dren. Aby przełączyć taki tranzystor stan przewodzenia należy podać napięcie między źródło a bramkę jak na powyższej ilustracji.

Tyrystory

Zasada działania tyrystora:

Tyrystor jest sterowany przyrządem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej PNPN z wyprowadzonymi elektrodami: anoda, katodą i bramką.

W zależności od polaryzacji anody względem katody tyrystor może znajdować się w stanie zaworowym lub blokowania. Po doprowadzeniu dodatniego impulsu prądowego do bramki tyrystora (gdy przyrząd znajduje się w stanie blokowania), następuje jego załączenie i przejście do stanu przewodzenia. Właściwości tyrystora w tych stanach pracy przedstawia charakterystyka główna, obrazująca zależność prądu anodowego od napięcia anoda-katoda. (Rys.1)

Stan zaworowy - występuje ( podobnie jak dla diody ) przy ujemnej polaryzacji anody względem katody. W stanie zaworowym podanie dodatniego sygnału bramkowego nie powoduje załączenia tyrystora, a jedynie wzrost prądu wstecznego ( rys 2.), tym samym wzrost strat mocy. Zwiększony prąd wsteczny może doprowadzić do przegrzania struktury PNPN i w efekcie do jej zniszczenia. Z tego powodu w obwodzie bramki należy eliminować możliwość pojawienia się dodatniego prądu bramki przy polaryzacji zaworowej tyrystora.

Stan blokowania - występuje przy dodatniej polaryzacji anody względem katody tyrystora, przy jednoczesnym braku prądu bramki. Dla tyrystora konwencjonalnego charakterystyka napięciowo-prądowa w stanie blokowania jest bardzo zbliżona do charakterystyki w stanie zaworowym.

Stan przewodzenia - występuje przy dodatniej polaryzacji anody względem katody oraz gdy w obwodzie sterującym bramka-katoda popłynie prąd wystarczający do załączenia tyrystora. W stanie przewodzenia, prąd w obwodzie bramki nie oddziałuje na prąd główny. Właściwości i parametry tyrystora będącego w stanie przewodzenia są takie same jak diody.

Tyrystor możemy załączyć impulsem bramkowym, ale tylko gdy jest prawidłowo spolaryzowany (anoda:+ katoda:-). Oczywiście może załączyć się także jak dynistor przy dużych du/dt - skokach napięcia między anodą a katodą. Jednak takiego załączania unikamy (w końcu chcemy sterować). Metoda przekroczania napięcia przełączenia (w dynistorze napięcie włączenia) jest niedopuszczalna - może nastąpić trwałe uszkodzenie elementu!

Załączenie tyrystora jak wcześniej wspomniałem następuje przy odpowiedniej polaryzacji i podaniu dodatniego względem katody impulsu bramkowego. Im mniejsze jest napięcie między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy obniżeniu napięcia anoda-katoda lub spadku wartości przepływającego prądu poniżej IH - prądu podtrzymania.