Pole (unipolární) Tranzistor je zařízení, které má tři výstupy a je řízeno přiloženou řídicí elektrodou (hradlem) na hradle.bránana řídicí elektrodu (hradlo) je přivedeno napětí. Řízený proud protéká obvodem source-drain.
Myšlenka na takovou triodu vznikla asi před 100 lety, ale až v polovině minulého století se podařilo přiblížit její praktické realizaci. V 50. letech 20. století byl vyvinut koncept tranzistoru s polem a v roce 1960 byl vyroben první funkční exemplář. Abychom pochopili výhody a nevýhody tohoto typu triody, je nutné porozumět jejich konstrukci.
Obsah
Návrh tranzistorů s polem účiníku
Unipolární tranzistory se dělí do dvou velkých tříd podle konstrukce a technologie výroby. I když jsou principy řízení podobné, mají konstrukční vlastnosti, které určují jejich výkon.
Unipolární triody s p-n přechodem
Struktura takového tranzistoru je podobná struktuře běžného tranzistoru. polovodičová dioda a na rozdíl od svého bipolárního příbuzného obsahuje pouze jeden spoj. Tranzistor s p-n přechodem se skládá z destičky jednoho typu vodiče (např. n) a vložené oblasti jiného typu polovodiče (v tomto případě p).
N-vrstva tvoří kanál, kterým protéká proud mezi vývody zdroje a odvodu. Svorka hradla je připojena k oblasti p. Přivedeme-li na hradlo napětí, které posouvá přechod v opačném směru, přechodová oblast se rozšíří, průřez kanálu se naopak zúží a jeho odpor se zvýší. Řízením napětí na hradle lze řídit proud v kanálu. Tranzistor lze také vyrobit s kanálem typu p, v takovém případě je hradlo tvořeno n-polovodičem.
Jednou z vlastností této konstrukce je velmi velký vstupní odpor tranzistoru. Proud hradla je určen odporem zpětně přepínaného přechodu a pohybuje se v řádu jednotek nebo desítek nanampérů při stejnosměrném proudu. Při střídavém proudu je vstupní odpor dán kapacitou přechodu.
Zesilovací stupně postavené s těmito tranzistory díky své vysoké vstupní impedanci usnadňují přizpůsobení vstupních zařízení. Unipolární triody také nerekombinují nosiče náboje, což snižuje nízkofrekvenční šum.
Při absenci předpětí je šířka kanálu největší a proud procházející kanálem je maximální. Při zvýšení napětí lze dosáhnout stavu, kdy se kanál zcela vypne. Toto napětí se nazývá vypínací napětí (Uots).
Proud drain tranzistoru závisí jak na napětí mezi hradlem a zdrojem, tak na napětí drain-source. Pokud je napětí na hradle pevné, roste proud s rostoucím Uci nejprve téměř lineárně (ab graf). Při vstupu do saturace nezpůsobí další zvýšení napětí prakticky žádný nárůst proudu odtoku (bb část). S rostoucí úrovní blokovacího napětí hradla dochází k nasycení při nižších hodnotách I-zásoby.
Na obrázku je znázorněna rodinná závislost proudu drain na napětí mezi zdrojem a drainem pro několik hodnot napětí na hradle. Je zřejmé, že při Uci nad napětím nasycení závisí proud na hradle téměř výhradně na napětí na hradle.
To ilustruje přenosová charakteristika unipolárního tranzistoru. S rostoucím záporným napětím hradla klesá proud odtoku téměř lineárně, až dosáhne nuly, když napětí hradla dosáhne úrovně vypínacího napětí.
Unipolární triody s izolovaným hradlem
Další variantou tranzistoru s polem je konstrukce s izolovaným hradlem. Tyto triody se nazývají tranzistory TDP. TIR (kovově-dielektrické-polovodičové) tranzistory, zahraniční označení MOSFET. Dříve se tomu říkalo MOS (kov-oxid-polovodič).
Podklad je tvořen vodičem určitého typu vodivosti (v tomto případě n), kanál je tvořen polovodičem jiného typu vodivosti (v tomto případě p). Hradlo je od substrátu odděleno tenkou vrstvou dielektrika (oxidu) a může ovlivňovat kanál pouze prostřednictvím vytvořeného elektrického pole. Pokud je napětí na hradle záporné, generované pole vytlačuje elektrony z oblasti kanálu, vrstva se vyčerpává a její odpor se zvyšuje. Naopak u p-kanálových tranzistorů kladné napětí zvyšuje odpor a snižuje proud.
Další vlastností tranzistoru s izolovaným hradlem je kladná část přenosové charakteristiky (záporná u p-kanálové triody). To znamená, že na hradlo lze přivést i kladné napětí určité velikosti, které zvýší proud odtoku. Rodina výstupních charakteristik se zásadně neliší od triody s p-n přechodem.
Dielektrická vrstva mezi hradlem a substrátem je velmi tenká, takže první vyráběné TIR tranzistory (jako např. doma vyráběné KP350) byly extrémně citlivé na statickou elektřinu. Vysoké napětí prorazilo tenkou vrstvu, čímž se tranzistor stal nefunkčním. U moderních triod byla přijata konstrukční opatření na ochranu proti přepětí, takže opatření proti statické elektřině jsou prakticky zbytečná.
Další variantou unipolární triody s izolovaným hradlem je tranzistor s indukčním kanálem. Neexistuje žádný indukční kanál a pokud na hradle není napětí, neprotéká ze zdroje do spoje žádný proud. Pokud je na hradlo přivedeno kladné napětí, vytvořené pole "vytáhne" elektrony z n-zóny substrátu a vytvoří v oblasti blízké povrchu kanál pro průchod proudu. Z toho je zřejmé, že takový tranzistor je v závislosti na typu kanálu řízen napětím pouze jedné polarity. To je patrné i z jeho průchozí charakteristiky.
Existují také tranzistory s dvojitým hradlem. Od běžných tranzistorů se liší tím, že mají dvě stejná hradla, z nichž každé může být ovládáno samostatným signálem, ale jejich vliv na kanál se sčítá. Takovou triodu lze představit jako dva běžné tranzistory zapojené do série.
Schémata tranzistorů s polním efektem
Rozsah použití tranzistorů s polem je stejný jako u jako u bipolárních tranzistorů.. Používají se především jako zesilovací prvky. Bipolární triody se používají ve stupních zesilovačů se třemi hlavními obvody:
- společný sběrač (opakovač vysílače);
- společný základ;
- společný emitor.
Podobným způsobem jsou zapojeny i tranzistory s polním efektem.
Společný vypouštěcí obvod
Obvod se společným vypouštěním (zdroj-spojka), podobně jako emitorový opakovač na bipolární triodě, neposkytuje žádné napěťové zesílení, ale poskytuje proudové zesílení.
Výhodou tohoto zapojení je jeho vysoká vstupní impedance, která je v některých případech nevýhodou - stupeň se stává náchylným k elektromagnetickému rušení. V případě potřeby lze Rin snížit zařazením rezistoru R3.
Obvod se společným hradlem
Tento obvod je podobný bipolárnímu tranzistoru se společnou bází. Tento obvod poskytuje dobré napěťové zesílení, ale žádné proudové zesílení. Podobně jako běžná základní konstrukce se běžně nepoužívá.
Společný zdrojový obvod
Nejběžnějším uspořádáním je společné zapojení zdroje polních triod. Jeho zesílení závisí na poměru odporu Rc k odporu v obvodu drain (do obvodu odtoku lze umístit přídavný rezistor pro nastavení zesílení.) a závisí také na sklonu charakteristiky tranzistoru.
Polní tranzistory se používají také jako řízené rezistory. Za tímto účelem se v úseku vedení zvolí provozní bod. Na tomto principu lze realizovat řízený dělič napětí.
A na dvoubranové triodě v tomto režimu můžete realizovat například směšovač pro přijímací zařízení - na jedné bráně přijímaný signál a na druhé - směšovač. signál z heterodynu.
Přijmeme-li teorii, že se dějiny vyvíjejí po spirále, můžeme ve vývoji elektroniky vidět určitý vzorec. Od elektronek řízených napětím přešla technologie k bipolárním tranzistorům, které k řízení potřebují proud. Spirála se uzavřela - nyní převládají unipolární triody, které stejně jako lampy nevyžadují spotřebu energie v řídicích obvodech. Uvidíme, kam nás cyklická křivka zavede dál. Prozatím není v dohledu žádná alternativa k tranzistorům s polem účinku.
Související články:
