Unipolární tranzistory
(17 963)Unipolární tranzistory, stejně jako bipolární tranzistory, jsou elektronické součástky, které se používají k zesílení elektrických signálů. Pomocí řídicího signálu s nízkým výkonem je možné ovládat proud s velkým napětím nebo intenzitou. Jsou tedy jakýmsi přepínačem. Unipolární tranzistory se používají v měničích, výkonových zesilovačích, střídačích a v souvisejících zařízeních. Za zmínku zde stojí, že například procesory sestávají až z miliardy velmi malých unipolárních tranzistorů uzavřených v jednom pouzdře.
Typy unipolárních tranzistorů
Existuje několik typů unipolárních tranzistorů, mezi nimiž jsou tranzistory J-FET (angl. Junction Field Effect Transistor), MOSFET (angl. Metal Oxide Semiconductor FET) či TFT (angl. Thin Film Transistor). Existuje ještě několik dalších typů unipolárních tranzistorů, ale v praxi se nejčastěji používají v elektronických obvodech první dva typy. Naproti tomu tranzistory TFT se vzhledem k úzkému rozsahu použití používají hlavně v displejích z tekutých krystalů (LCD).
Konstrukce a princip činnosti unipolárních tranzistorů
Unipolární tranzistory mají ve standardním provedení tři vývody nazývané odtok, zdroj a hradlo. Vzhledem k tomu, že unipolární a bipolární tranzistory se nejčastěji vyskytují ve stejných pouzdrech a plní téměř identické funkce, je obtížné je od sebe na první pohled odlišit. Je však třeba mít na paměti, že oba mají jinou strukturu.
Tranzistory řízené elektrickým polem J-FET pracují především díky vlastnostem jevu elektrického pole. Konstrukce tohoto typu tranzistoru je založena na použití vrstvy polovodiče typu N nebo typu P, ke které jsou připojeny vývody odtoku a zdroje, a také polovodiče se slabým a opačným typem dopování, jenž obvykle obklopuje tzv. tranzistorový kanál a ke kterému je připojen vývod hradla. Dopování polovodiče tvořícího kanál určuje, zda se jedná o tranzistor J-FET typu N (N-JFET) nebo tranzistor typu P (P-JFET), přičemž ten druhý se v praxi používá mnohem méně často.
Jako příklad si popíšeme provoz unipolárního tranzistoru typu J-FET s kanálem typu N. Když se na vývodech tohoto prvku, označovaných jako odtok a zdroj, vyskytuje napětí, pak mezi zdrojem a odtokem protéká proud. V případě, že konektor označený jako hradlo je záporně polarizovaný, to znamená, že v tomto případě je napětí přivedené na hradlo záporné vzhledem ke zdroji, proud, který protéká tranzistorovým kanálem, začne klesat a zmizí. To je způsobeno skutečností, že ochuzená oblast mezi odtokem a zdrojem se začne zvětšovat. Pokud je hodnota rozdílu napětí mezi hradlem a zdrojem dostatečně vysoká, tedy pro tranzistor J-FET s kanálem typu N je napětí na hradle dostatečně nízké, proud zcela přestane protékat kanálem. Obvykle toto napětí činí několik voltů a závisí na konkrétním typu tranzistoru. Tento stav unipolárního tranzistoru se nazývá odříznutí, a hodnota odporu, který se pak vyskytuje mezi odtokem a zdrojem, je velmi vysoká, v řádu gigaohmů [GΩ]. Za zmínku stojí , že ovládání unipolárního tranzistoru se provádí výhradně napětím. Proud protékající mezi hradlem a zdrojem je prakticky roven nule.
Unipolární tranzistory MOSFET
Dalším typem běžně používaných unipolárních tranzistorů je tranzistor MOSFET. U tohoto typu elektronického prvku je hradlo vyrobeno z kovu, galvanicky odděleno od ostatních prvků tranzistoru tenkou vrstvou oxidu křemičitého. Hlavní a největší část tranzistoru MOSFET tvoří substrát, tedy slabě dopovaný polovodič typu P nebo N, ke kterému je připojen vývod základny a dvě malé oblasti s opačným a silným dopováním. K nim jsou připojeny vývody zdroje a odtoku. Určují, zda je tranzistor s kanálem typu P nebo N. V případě, že mezi jednotlivými vývody unipolárního tranzistoru není rozdíl napětí, tvoří dva P-N přechody mezi zdrojem a odtokem dvě sériově zapojené diody. V tomto případě je jedna z nich záporně polarizovaná, takže není možné, aby proud protékal takovým tranzistorem (pokud přiložené napětí nepřekročí maximální přípustnou hodnotu). Pokud se však na hradle, které je umístěno mezi zdrojem a odtokem, vznikne dostatečně vysoká hodnota napětí odpovídající polaritě (např. v případě tranzistoru s kanálem typu N se bude jednat o kladné napětí vzhledem ke zdroji) a dojde k překročení tzv. prahového napětí, působení elektrického pole na vrstvu slabě dopovaného polovodiče pod ním bude mít za následek vznik tzv. inverzní vrstvy. Tím se vytvoří kanál, který elektricky spojuje vývody zdroje a odtoku. Intenzita proudu, který může v tomto případě protékat tranzistorem, závisí na hodnotě napětí přiloženého na vývod hradla a jedná se o lineární vztah, ale pouze do určité hodnoty proudu odtoku. Samozřejmě existuje také hodnota napětí přiloženého na vývodu hradla, při jejímž překročení proud již nebude narůstat. Tato hodnota je nazývána saturačním napětím.
Právě popsaný případ se týkal tranzistoru MOSFET s obohaceným kanálem. Takový tranzistor je normálně zavřený a teprve přiložení příslušné hodnoty napětí na hradlo způsobí jeho otevření. Existují však také tranzistory s ochuzeným kanálem, které jsou mnohem méně časté a v nichž, pokud má hradlo stejný potenciál jako zdroj, pak je otevřený a může vést proud.
Konstrukce tranzistoru MOSFET způsobuje, že se chová jako kondenzátor a může mít poměrně velkou kapacitu. Z tohoto důvodu může změna stavu takového tranzistoru s vysokou frekvencí způsobit problémy, protože nabíjení a vybíjení kapacity na hradle, a tím změna vodivého stavu tohoto elektrického prvku, trvá nějakou dobu. Z tohoto důvodu musí mít řídicí systémy tranzistorů MOSFET vysokou proudovou účinnost. Další vlastností tranzistorů MOSFET je, že mají diodu mezi odtokem a zdrojem, která se někdy nazývá parazitická dioda. Její existence vyplývá ze samotné konstrukce tranzistoru, jak již bylo dříve zmíněno. To je důležitá informace, pokud jde o řízení střídavého proudu.
S unipolárními tranzistory se lze setkat v podobě prvků pro povrchovou a průchozí montáž. Z tohoto důvodu se vyskytují v mnoha různých pouzdrech, mezi nimiž jsou nejoblíbenější DPAK, D2PAK, TO220, TO247 nebo SOT23. Obvykle mají tři vývody (nepočítaje vícekanálové tranzistory).
Parametry a charakteristika unipolárních tranzistorů
Parametry, které jsou důležité při výběru vhodného tranzistoru, zahrnují mimo jiné maximální napětí odtok–zdroj (udávané ve voltech [V]), maximální napětí hradlo–zdroj, které v tomto případě tvoří řídicí napětí, maximální proud odtoku (uvedený v ampérech [A]), ztrátový výkon (udávaný ve wattech [W]), stejně jako odpor vodivosti (uvedený v ohmech [Ω] nebo v miliohmech [mΩ]). Překročení maximálního napětí nebo proudu může vést k nesprávnému provozu nebo k nevratnému poškození součástky. Také uvolnění příliš velkého výkonu na unipolárním tranzistoru může způsobit jeho přehřátí a poškození. V praxi se používají přídavné chladiče, které jsou v kontaktu se součástkou a umožňují tak efektivnější odvod tepla do okolí. Někdy (např. ve spínaných napájecích zdrojích) se také se také používá vynucená cirkulace vzduchu, která je zajišťovaná ventilátory a zlepšuje chlazení.
Sklad:
