Unipolære transistorer
(20 090)Unipolære transistorer er, ligesom bipolære transistorer, elektroniske enheder, der bruges til at forstærke elektriske signaler. Et signal med høj effekt kan styres ved hjælp af et signal med lav effekt. Transistoren kan således bruges som en switch. Unipolære transistorer bruges i omformere, effektforstærkere, invertere og relaterede enheder. Det er her værd at nævne, at processorer f.eks. består af milliarder af transistorer.
Typer af unipolære transistorer
Der findes flere typer unipolære transistorer, bl.a. J-FET'er (Junction Field Effect Transistor), MOSFET'er (Metal Oxide Semiconductor FET) eller TFT'er (Thin Film Transistor). Der findes flere andre typer unipolære transistorer, men i praksis bruges de to første typer oftest i elektroniske kredsløb. TFT-transistorer bruges derimod hovedsageligt i flydende krystalskærme (LCD'er).
Konstruktion og drift af unipolære transistorer
Unipolære transistorer har tre terminaler kaldet drain, source og gate. I betragtning af at unipolære og bipolære transistorer oftest findes i de samme pakker og udfører næsten identiske funktioner, er det svært at skelne dem fra hinanden ved første øjekast. Men man skal huske, at de begge har en forskellig struktur.
J-FET-felteffekttransistorer er transistorer, der styres af det elektriske felt. Konstruktionen af denne type transistor er baseret på brugen af et lag halvleder af n-typen eller p-typen, som drain- og source-terminalerne er forbundet til, og en halvleder med lav doping modsat kanalen, som normalt omgiver transistorkanalen, og som gate-terminalen er forbundet til. Dopingen af den halvleder, der danner kanalen, bestemmer, om det er en n-type (N-JFET) eller p-type (P-JFET), hvor sidstnævnte er meget mindre almindelig.
Lad os som eksempel beskrive driften af en unipolær J-FET-transistor af n-typen. Hvis der tilføres en spænding mellem drain og source, løber strømmen mellem source og drain. I tilfælde af en negativt polariseret gate, dvs. når den spænding, der tilføres gaten, er negativ i forhold til sourcen, vil den strøm, der løber gennem transistorens kanal, begynde at falde og forsvinde. Det skyldes, at depletionsområdet mellem drain og source vil begynde at udvide sig. Hvis værdien af spændingsforskellen mellem gate og source er høj nok, dvs. for en J-FET-transistor af n-typen, vil spændingen ved gaten være lav nok til, at strømmen stopper. Normalt er denne spænding et par volt og afhænger af den pågældende transistortype. I denne tilstand siges transistoren at være i cut-off, hvor modstanden mellem source og drain er ekstremt høj (målt i giga-ohm [GΩ]). Det er værd at bemærke, at den unipolære transistor fungerer som en spændingsstyret enhed. Der flyder stort set ingen strøm mellem gate og source.
Unipolære MOSFET-transistorer
En anden type almindeligt anvendte unipolære transistorer er MOSFET-transistoren. I dette tilfælde er metalgaten isoleret fra kanalen med et lag af siliciumdioxid. Den vigtigste og største del af MOSFET'en er den let doterede halvleder af p-typen eller n-typen, der er forbundet med basisområdet og to stærkt doterede områder med modsat polaritet. De er forbundet med kilde- og afløbsterminalerne. De bestemmer, om transistoren er af P-typen eller N-typen. Når der ikke er nogen spændingsforskel mellem de enkelte terminaler i en unipolær transistor, danner de to P-N-forbindelser mellem source og drain to dioder, der er forbundet i serie. I et sådant tilfælde er en af dem negativt polariseret, så der er ingen mulighed for, at der kan løbe strøm gennem en sådan transistor (medmindre den påførte spænding overstiger den maksimalt tilladte værdi). Men hvis der tilføres en tilstrækkelig høj spænding af passende polaritet ved gaten, som er placeret mellem source og drain (f.eks. i tilfælde af en transistor af n-typen vil dette være en positiv spænding i forhold til source), og tærskelspændingen overskrides, vil samspillet mellem det elektriske felt og laget af lavt doteret halvleder nedenunder resultere i dannelsen af det såkaldte inversionslag. Dette skaber en kanal, der forbinder source- og drain-terminalerne. Den strøm, der kan flyde gennem transistoren, afhænger af den spænding, der tilføres gate-terminalen, og er et lineært forhold, men kun op til en vis værdi af drain-strømmen. Der er selvfølgelig også en spændingsværdi på gate-terminalen, over hvilken strømmen forbliver konstant og ikke længere stiger; dette kaldes mætningsspændingen.
Det tidligere beskrevne tilfælde drejede sig om en MOSFET med en n-kanal i berigelsesregimet. En sådan transistor er normalt lukket og åbner ved tilførsel af en gatespænding, mens der også findes transistorer med udtømt kanal, som er langt mindre almindelige, og hvor gaten er åben og leder strøm, hvis den har samme potentiale som kilden.
MOSFET-transistoren fungerer lidt som en kondensator og har en relativt stor kapacitans. Derfor kan det være problematisk at ændre tilstanden for sådan en transistor ved høj frekvens, da det tager noget tid at oplade og aflade kapacitansen ved gaten og dermed at ændre enhedens ledningstilstand. Af denne grund skal MOSFET-kontrolsystemerne være kendetegnet ved høj strømeffektivitet. MOSFET'er har en diode mellem drain og source (undertiden kaldet en parasitisk diode). Som nævnt ovenfor er den interne diode en konsekvens af MOSFET-strukturen. Dette er vigtig information i forbindelse med AC-styring.
Unipolære transistorer fås i både gennemgående-hul og overflade-monterede pakker. Af denne grund fås de i en lang række pakker, hvoraf de mest populære er DPAK, D2PAK, TO220, TO247 eller SOT23. De har normalt tre ledninger (ikke inklusive multikanaltransistorer).
Parametre og egenskaber for unipolære transistorer
Parametre, der er vigtige, når man skal vælge en passende transistor, omfatter den maksimale drain-source-spænding (angivet i volt[V]), den maksimale gate-source-spænding, som i dette tilfælde er styrespændingen, den maksimale drain-strøm (i ampere [A]), spredningseffekten (i watt [W]) og ledningsmodstanden i ohm[Ω] eller milliohm [mΩ]). Overskridelse af den maksimale spænding eller strøm kan føre til funktionsfejl eller uoprettelig skade på enheden. Desuden kan den for høje strøm forårsage overophedning og beskadigelse af den unipolære transistor. I praksis bruges der ekstra kølelegemer, som er i kontakt med enheden og dermed muliggør en mere effektiv varmeafledning til omgivelserne. I nogle tilfælde (f.eks. i switching-strømforsyninger) bruges tvungen luftcirkulation ved hjælp af ventilatorer til at forbedre kølingen.
Lagerbygning:
