Tranzystory unipolarne
(20 135)Tranzystory unipolarne, tak samo jak tranzystory bipolarne, to elementy elektroniczne, które służą do wzmacniania sygnałów elektrycznych. Za pomocą sygnału sterującego o niewielkiej mocy, można sterować prądem o dużym napięciu lub natężeniu. Stanowią one wtedy swego rodzaju przełącznik. Tranzystory unipolarne stosowane są w przetwornicach, wzmacniaczach mocy, falownikach i pokrewnych urządzeniach. Warto tutaj wspomnieć, że np. procesory składają się nawet z miliarda bardzo małych tranzystorów unipolarnych, zamkniętych w jednej obudowie.
Rodzaje tranzystorów unipolarnych
Istnieje kilka rodzajów tranzystorów unipolarnych, wśród których znajdują się tranzystory J-FET (ang. Junction Field Effect Transistor), MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor FET) czy TFT (ang. Thin Film Transistor). Spotkać można jeszcze kilka innych typów tranzystorów unipolarnych, jednak w praktyce dwa pierwsze rodzaje są najczęściej wykorzystywane w układach elektronicznych. Z kolei tranzystory TFT, ze względu na swój wąski zakres aplikacji, znajdują zastosowanie głównie w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD).
Budowa i zasada działania tranzystorów unipolarnych
Tranzystory unipolarne standardowo posiadają trzy wyprowadzenia nazywane drenem, źródłem oraz bramką. Biorąc pod uwagę, że tranzystory unipolarne jak i bipolarne najczęściej występują w tych samych obudowach i spełniają niemal identyczne funkcje, ciężko je od siebie odróżnić na pierwszy rzut oka. Trzeba jednak pamiętać, że jedne jak i drugie posiadają odmienną budowę.
Tranzystory polowe J-FET działają głównie dzięki właściwościom zjawiska pola elektrycznego. Budowa tego typu tranzystora opiera się na wykorzystaniu warstwy półprzewodnika typu N lub typu P, do którego przyłączone są wyprowadzenia drenu i źródła, a także półprzewodnika o słabym i przeciwnym rodzaju domieszkowania, który zazwyczaj oplata dookoła tak zwany kanał tranzystora i do którego przyłączone jest wyprowadzenie bramki. Domieszkowanie półprzewodnika stanowiącego kanał decyduje o tym, czy jest to tranzystor J-FET typu N (N-JFET) czy typu P (P-JFET), przy czym w praktyce te drugie stosowane są dużo rzadziej.
Dla przykładu opiszmy działanie tranzystora unipolarnego typu J-FET z kanałem typu N. Kiedy na wyprowadzeniach tego elementu, oznaczanych jako dren oraz źródło, występuje napięcie, między źródłem a drenem popłynie prąd. W przypadku, kiedy złącze oznaczone jako bramka zostanie spolaryzowane zaporowo, czyli w tym przypadku napięcie przyłożone do bramki będzie ujemne względem źródła, prąd, który płynie przez kanał tranzystora zacznie się zmniejszać i zaniknie. Wynika to z faktu, że obszar zubożony pomiędzy drenem a źródłem zacznie się powiększać. Jeśli wartość różnicy napięć między bramką a źródłem będzie wystarczająco wysoka, czyli dla tranzystora J-FET z kanałem typu N napięcie na bramce będzie dostatecznie niskie, prąd całkowicie przestanie płynąć przez kanał. Zwykle napięcie to wynosi kilka woltów i zależy od konkretnego typu tranzystora. Taki stan tranzystora unipolarnego nazywany jest odcięciem, a wartość rezystancji, jaka wtedy występuje pomiędzy drenem a źródłem jest bardzo wysoka, rzędu gigaomów [GΩ]. Warto zwrócić uwagę, że sterowanie tranzystorem unipolarnym odbywa się wyłącznie napięciowo. Prąd płynący pomiędzy bramką a źródłem jest praktycznie równy zeru.
Tranzystory unipolarne MOSFET
Kolejnym typem powszechnie wykorzystywanych tranzystorów unipolarnych jest tranzystor MOSFET. W tego typu elemencie elektronicznym bramka, wykonana z metalu, odizolowana jest galwanicznie od pozostałych elementów tranzystora cienkim obszarem dwutlenku krzemu. Główną i największą cześć tranzystora MOSFET stanowi podłoże, czyli słabo domieszkowany półprzewodnik typu P lub typu N, do którego podłączone jest wyprowadzenie bazy i dwa niewielkie obszary o przeciwnym oraz silnym domieszkowaniu. Do niech podłączone są wyprowadzenia źródła i drenu. To one stanowią o tym, czy tranzystor jest z kanałem typu P czy typu N. W przypadku, gdy między poszczególnymi wyprowadzeniami tranzystora unipolarnego nie występuje różnica napięć, dwa złącza P-N pomiędzy źródłem i drenem tworzą niejako dwie połączone szeregowo diody. W takim przypadku jedna z nich spolaryzowana jest zaporowo, więc nie ma możliwości, aby przez taki tranzystor popłynął prąd (o ile przyłożone napięcie nie przekracza maksymalnej dopuszczalnej wartości). Jeśli jednak na bramce, która umiejscowiona jest pomiędzy źródłem a drenem, pojawi się odpowiednio wysoka wartość napięcia o odpowiedniej polaryzacji (np. w przypadku tranzystora z kanałem typu N będzie to napięcie dodatnie względem źródła) i przekroczone zostanie tzw. napięcie progowe, oddziaływanie pola elektrycznego na warstwę słabo domieszkowanego półprzewodnika pod nią spowoduje powstanie tzw. warstwy inwersyjnej. W ten sposób tworzy się kanał, który łączy elektrycznie wyprowadzenia źródła i drenu. Natężenie prądu, jakie może przepłynąć w tym przypadku przez tranzystor zależne jest od wartości napięcia przyłożonego do wyprowadzenia bramki i jest to zależność liniowa, ale tylko do pewnej wartości prądu drenu. Oczywiście, istnieje też wartość napięcia przyłożonego do wyprowadzenia bramki, powyżej której prąd nie będzie już narastał, a nazywana jest ona napięciem nasycenia.
Opisany przed chwilą przypadek dotyczył tranzystora MOSFET z kanałem wzbogacanym. Taki tranzystor jest normalnie zamknięty i dopiero przyłożenie odpowiedniej wartości napięcia na bramkę powoduje jego otwarcie, natomiast istnieją również tranzystory z kanałem zubożanym, które są zdecydowanie rzadziej spotykane, a w których, jeśli bramka posiada ten sam potencjał co źródło, to jest on otwarty i może przewodzić prąd.
Budowa tranzystora MOSFET sprawia, że zachowuje się on niczym kondensator i może posiadać dość dużą pojemność. Z tego względu zmienianie stanu takiego tranzystora z dużą częstotliwością może sprawiać problemy, gdyż naładowanie i rozładowanie pojemności na bramce, a przez to i zmiana stanu przewodzenia tego elementu elektrycznego, zajmuje nieco czasu. Z tego względu układy sterujące tranzystorami MOSFET muszą cechować się dużą wydajnością prądową. Inna właściwość tranzystorów typu MOSFET to posiadanie diody pomiędzy drenem a źródłem, która niekiedy nazywana jest diodą pasożytniczą. Jej istnienie wynika z samej budowy tranzystora, co zostało już wcześniej wspomniane. Jest to istotna informacja w przypadku sterowania prądem zmiennym.
Tranzystory unipolarne spotkać można w postaci elementów montowanych powierzchniowo lub przewlekanych. Z tego względu występują one w wielu różnych obudowach, wśród których najpopularniejszymi są DPAK, D2PAK, TO220, TO247 czy SOT23. Zazwyczaj posiadają one trzy wyprowadzenia (nie licząc tranzystorów multikanałowych).
Parametry i charakterystyka tranzystorów unipolarnych
Parametry, które mają znaczenie przy wyborze odpowiedniego tranzystora, to m. in. maksymalne napięcie dren-źródło (podawane w woltach [V]), maksymalne napięcie bramka-źródło, które w tym przypadku stanowi napięcie sterujące, maksymalny prąd drenu (podawany w amperach [A]), moc rozpraszania (podawana w watach [W]), a także rezystancja przewodzenia (podawana w omach [Ω] lub w miliomach [mΩ]). Przekroczenie maksymalnego napięcia bądź prądu może prowadzić do nieprawidłowej pracy komponentu lub do jego nieodwracalnego uszkodzenia. Również wydzielenie się zbyt dużej mocy na tranzystorze unipolarnym może spowodować jego przegrzanie i uszkodzenie. W praktyce wykorzystuje się dodatkowe radiatory, które stykają się z komponentem i dzięki temu umożliwiają sprawniejsze oddawanie ciepła do otoczenia. Niekiedy (np. w zasilaczach impulsowych) stosuje się także wymuszony obieg powietrza, który zapewniany jest przez wentylatory i usprawnia chłodzenie.
Magazyn:
