Unipolaire transistors
(20 079)Unipolaire transistors zijn, net als bipolaire transistors, elektronische elementen die dienen voor versterking van elektrische signalen. Met behulp van een stuursignaal met laag vermogen kan stroom met een hoge spanning of intensiteit worden geregeld. Ze vormen dan een soort schakelaar. Unipolaire transistors worden toegepast in inverters, vermogensversterkers, omvormers en aanverwante apparaten. Vermeldenswaard is hierbij dat processors bv. bestaan uit tot wel een miljard bijzonder kleine unipolaire transistors die in één behuizing zijn gesloten.
Soorten unipolaire transistors
Er zijn verschillende soorten unipolaire transistors, waaronder J-FET (EN: Junction Field Effect Transistor), MOSFET (EN: Metal Oxide Semiconductor FET) en TFT (EN: Thin Film Transistor). Er zijn verschillende andere typen unipolaire transistors, maar in de praktijk worden de eerste twee soorten het meest gebruikt in elektronische systemen. TFT-transistors worden daarentegen voornamelijk gebruikt in lcd-schermen vanwege hun beperkte toepassingsgebied.
Constructie en werkingsprincipe van unipolaire transistors
Unipolaire transistors hebben gewoonlijk drie aansluitingen: drain, source en gate genoemd. Aangezien unipolaire en bipolaire transistors meestal in dezelfde behuizing zitten en vrijwel identieke functies vervullen, zijn ze op het eerste gezicht moeilijk van elkaar te onderscheiden. Vergeet daarom niet dat ze allebei een andere constructie hebben.
J-FET veldeffecttransistors werken hoofdzakelijk dankzij de eigenschappen van het elektrische veld. De constructie van dit type transistor is gebaseerd op het gebruik van een laag van een n-type of p-type halfgeleider waarop de draden van de drain en source zijn aangesloten, en een halfgeleider met een zwak en tegengesteld type dotering die zich meestal wikkelt rond het zogenoemde transistorkanaal waarop de gate-uitgang is aangesloten. De dotering van de halfgeleider die het kanaal vormt, bepaalt of het een J-FET van het n-channel-type (N-JFET) of van het p-channel-type (P-JFET) is; laatstgenoemde wordt in de praktijk veel minder vaak gebruikt.
Als voorbeeld beschrijven we de werking van een J-FET unipolaire transistor van het n-channel-type. Wanneer er een spanning staat op de uitgangen van dit element die zijn aangeduid als drain en source, vloeit er een stroom tussen de source en drain. Als de connector die is gemarkeerd als gate negatief is gepolariseerd, ofwel wanneer de op de gate aangelegde spanning negatief is ten opzichte van de source, gaat de stroom die door het kanaal van de transistor vloeit, afnemen en verdwijnen. Dit komt doordat het verarmde gebied tussen de drain en de source toeneemt. Als de waarde van het spanningsverschil tussen de gate en de source hoog genoeg is, nl. voor een J-FET transistor van het n-channel-type, is de gate-spanning laag genoeg en zal de stroom volledig stoppen door het kanaal te stromen. Gewoonlijk bedraagt deze spanning enkele volts en is ze afhankelijk van het specifieke type transistor. Deze toestand van een unipolaire transistor wordt een cut-off genoemd en de waarde van de weerstand die dan tussen de drain en de source bestaat is zeer hoog, in de orde van gigaohm [GΩ]. Het is het vermelden waard dat besturing van de unipolaire transistor alleen plaatsvindt door middel van spanning. De stroom die tussen de gate en de source vloeit is vrijwel gelijk aan nul.
Unipolaire transistors MOSFET
Een ander type veelgebruikte unipolaire transistor is de MOSFET-transistor. Bij dit type elektronisch element is de metalen gate galvanisch gescheiden van de andere elementen van de transistor door een dun oppervlak van siliciumdioxide. Het belangrijkste en grootste onderdeel van een MOSFET-transistor is het substraat, nl. een zwak gedoteerde p-type of n-type halfgeleider waarmee de basispin is verbonden en twee kleine tegengestelde en sterk gedoteerde zones. Hierop zijn de source- en drainpinnen aangesloten. Zij bepalen of de transistor van het p-channel-type of het n-channel-type is. Wanneer er geen spanningsverschil is tussen de afzonderlijke pinnen van een unipolaire transistor, vormen de twee pn-juncties tussen de source en de drain als het ware twee in serie geschakelde diodes. In dat geval is één van beiden negatief gepolariseerd, zodat er geen stroom door zo'n transistor kan vloeien (tenzij de toegepaste spanning de maximaal toelaatbare waarde overschrijdt). Echter, indien op de gate die zich tussen source en drain bevindt, een voldoende hoge spanning van de juiste polariteit verschijnt (bv. bij een transistor van het n-channel-type is dit een positieve spanning ten opzichte van de source) en de zogenaamde drempelspanning wordt overschreden, zal de wisselwerking van het elektrische veld met de daaronder gelegen laag van slecht gedoteerde halfgeleider leiden tot de vorming van een zogenaamde inversielaag. Hierdoor ontstaat een kanaal dat de pinnen van de source en drain elektrisch verbindt. De intensiteit van de stroom die in dit geval door de transistor kan vloeien, hangt af van de waarde van de spanning die op de uitgang van de gate wordt aangelegd. Dit verband is lineair, maar slechts tot een bepaalde waarde van de drainstroom. Natuurlijk is er ook een waarde voor de spanning die op de uitgang van de gate is aangelegd, waarboven de stroom niet meer zal toenemen. Dit wordt de verzadigingsspanning genoemd.
In het zojuist beschreven geval ging het om een MOSFET-transistor met een gedoteerd kanaal. Zo'n transistor is normaal gesproken gesloten en gaat alleen open als de juiste spanning op de gate staat, maar er zijn ook transistoren met een verarmd kanaal die u veel minder vaak tegenkomt en waarin, als de gate dezelfde potentiaal heeft als de source, de gate open is en elektriciteit kan geleiden.
Door de constructie van de MOSFET-transistor gedraagt hij zich als een condensator en kan hij een behoorlijk grote capaciteit hebben. Om deze reden kan het veranderen van de toestand van deze transistor bij hoge frequentie problematisch zijn, aangezien het enige tijd duurt om de capaciteit aan de gate op te laden en te ontladen, en dus om de geleidingstoestand van dit elektrische element te veranderen. Daarom moeten de circuits die worden aangestuurd met MOSFET-transistors een hoge stroomefficiëntie hebben. Een andere eigenschap van MOSFET-transistors is dat ze een diode hebben tussen de drain en de source die soms een parasitaire diode wordt genoemd. Het bestaan ervan vloeit voort uit de constructie van de transistor zelf, die al eerder is vermeld. Dit is belangrijke informatie in het geval van besturing met wisselstroom.
Unipolaire transistors kunt u aantreffen in de vorm van elementen voor oppervlakte- of rijgmontage. Om deze reden zijn ze verkrijgbaar in veel verschillende behuizingen, waarvan de populairste DPAK, D2PAK, TO220, TO247 en SOT23 zijn. Ze beschikken meestal over drie pinnen (met uitzondering van multichannel-transistors).
Parameters en kenmerken van unipolaire transistors
Parameters die van belang zijn bij het kiezen van de juiste transistor zijn o.a.: maximale drain-source-spanning (uitgedrukt in volt [V]), maximale gate-source-spanning, in dit geval de stuurspanning, maximale drain-stroom (uitgedrukt in ampère [A]), vermogensdissipatie (uitgedrukt in watt [W]) en geleidingsweerstand (uitgedrukt in ohm [Ω] of in milliohm [mΩ]). Overschrijding van de maximale spanning of stroom kan leiden tot defecten aan onderdelen of onherstelbare schade. Ook kan dissipatie van te veel vermogen op een unipolaire transistor oververhitting en schade veroorzaken. In de praktijk worden extra koellichamen gebruikt die contact hebben met de component en zo een efficiëntere warmteafvoer naar de omgeving mogelijk maken. Soms (bv. in schakelende voedingen) wordt ook gebruik gemaakt van geforceerde luchtcirculatie die wordt verzorgd door ventilatoren en die de koeling verbetert.
Magazijn:
