Pole (unipolárne) Tranzistor je zariadenie, ktoré má tri výstupy a je riadené priloženou riadiacou elektródou (hradlom) na bráne.bránana riadiacu elektródu (hradlo) sa privádza napätie. Prúd, ktorý sa má riadiť, preteká obvodom zdroj-odtok.
Myšlienka takejto triódy vznikla približne pred 100 rokmi, ale až v polovici minulého storočia sa podarilo priblížiť k praktickej realizácii. V 50. rokoch 20. storočia bol vyvinutý koncept tranzistora s poľom a prvý funkčný exemplár bol vyrobený v roku 1960. Na pochopenie výhod a nevýhod tohto typu triód je potrebné porozumieť ich konštrukcii.
Obsah
Návrh tranzistorov s poľovým efektom
Unipolárne tranzistory sa delia do dvoch veľkých tried na základe konštrukcie a výrobnej technológie. Hoci sú princípy riadenia podobné, majú konštrukčné vlastnosti, ktoré určujú ich výkon.
Unipolárne triódy s p-n prechodom
Štruktúra takéhoto tranzistora je podobná štruktúre bežného tranzistora polovodičová dióda a na rozdiel od svojho bipolárneho príbuzného obsahuje len jeden spoj. Tranzistor s p-n prechodom sa skladá z plátku jedného typu vodiča (napr. n) a vloženej oblasti iného typu polovodiča (v tomto prípade p).
Vrstva n tvorí kanál, ktorým preteká prúd medzi vývodmi zdroja a odtoku. Svorka brány je pripojená k oblasti p. Ak sa na hradlo privedie napätie posúvajúce prechod v opačnom smere, prechodová oblasť sa rozšíri, prierez kanála sa naopak zúži a jeho odpor sa zvýši. Ovládaním napätia hradla možno riadiť prúd v kanáli. Tranzistor môžu byť vyrobené aj s kanálom typu p, v takom prípade je hradlo tvorené n-polovodičom.
Jednou z vlastností tejto konštrukcie je veľmi veľký vstupný odpor tranzistora. Prúd hradla je určený odporom spätne prepínaného prechodu a pri jednosmernom prúde sa pohybuje v jednotkách alebo desiatkach nanampérov. Pri striedavom prúde je vstupný odpor daný kapacitou prechodu.
Zosilňovacie stupne postavené s týmito tranzistormi vďaka svojej vysokej vstupnej impedancii uľahčujú prispôsobenie vstupných zariadení. Unipolárne triódy tiež nerekombinujú nosiče náboja, čo znižuje nízkofrekvenčný šum.
Pri absencii predpätia je šírka kanála najväčšia a prúd cez kanál je maximálny. Pri zvýšení napätia sa môže dosiahnuť stav, keď sa kanál úplne vypne. Toto napätie sa nazýva vypínacie napätie (Uots).
Prúd odtoku tranzistora s poľom závisí od napätia medzi hradlom a zdrojom a od napätia medzi odtokom a zdrojom. Ak je napätie na hradle fixné, prúd najprv rastie takmer lineárne s rastúcim Uci (graf ab). Pri vstupe do nasýtenia ďalšie zvyšovanie napätia nespôsobuje prakticky žiadny nárast prúdu odtoku (časť bb). S rastúcou úrovňou blokovacieho napätia hradla dochádza k nasýteniu pri nižších hodnotách I-zásoby.
Na obrázku je znázornená rodinná závislosť prúdu drenáže od napätia medzi zdrojom a drenážou pre niekoľko hodnôt napätia hradla. Je zrejmé, že pri Uci nad napätím nasýtenia je prúd odtoku takmer výlučne závislý od napätia hradla.
To ilustruje prenosová charakteristika unipolárneho tranzistora. S rastúcim záporným napätím hradla sa prúd odtoku takmer lineárne znižuje, až kým nedosiahne nulu, keď napätie hradla dosiahne úroveň vypínacieho napätia.
Unipolárne triódy s izolovaným hradlom
Ďalším variantom tranzistora s poľom je konštrukcia s izolovaným hradlom. Tieto triódy sa nazývajú TDP tranzistory TIR (kovovo-dielektricko-polovodičové) tranzistory, zahraničné označenie MOSFET. Kedysi bolo zvykom nazývať ho MOS (kov-oxid-polovodič).
Substrát je vyrobený z vodiča určitého typu vodivosti (v tomto prípade n), kanál je tvorený polovodičom iného typu vodivosti (v tomto prípade p). Hrádza je od substrátu oddelená tenkou vrstvou dielektrika (oxidu) a môže ovplyvňovať kanál len prostredníctvom vytvoreného elektrického poľa. Ak je napätie na hradle záporné, generované pole vytláča elektróny z oblasti kanála, vrstva sa vyčerpáva a jej odpor sa zvyšuje. Naopak, pri p-kanálových tranzistoroch kladné napätie zvyšuje odpor a znižuje prúd.
Ďalšou vlastnosťou tranzistora s izolovaným hradlom je kladná časť prenosovej charakteristiky (záporná pre p-kanálovú triódu). To znamená, že na hradlo možno priložiť aj napätie s kladnou polaritou určitej hodnoty, čím sa zvýši prúd odtoku. Rodina výstupných charakteristík sa zásadne nelíši od triódy s p-n prechodom.
Dielektrická vrstva medzi hradlom a substrátom je veľmi tenká, takže prvé MPT (ako napríklad doma vyrábané KP350) boli mimoriadne citlivé na statickú elektrinu. Vysoké napätie prerazilo tenkú vrstvu, čím sa tranzistor stal nefunkčným. V moderných triódach boli prijaté konštruktívne opatrenia na ochranu proti prepätiu, takže opatrenia proti statickej elektrine sú takmer zbytočné.
Ďalším variantom unipolárnej triódy s izolovaným hradlom je tranzistor s indukčným kanálom. Neexistuje žiadny indukčný kanál a ak na hradle nie je žiadne napätie, zo zdroja do odtoku netečie žiadny prúd. Ak sa na hradlo privedie kladné napätie, pole, ktoré generuje, "vytiahne" elektróny z n-zóny substrátu a vytvorí v oblasti blízko povrchu kanál, ktorým preteká prúd. Z toho je zrejmé, že takýto tranzistor je v závislosti od typu kanála riadený napätím len jednej polarity. To je zrejmé aj z jeho priechodnej charakteristiky.
Existujú aj tranzistory s dvojitým hradlom. Od bežných tranzistorov sa líšia tým, že majú dve rovnaké hradlá, z ktorých každé môže byť riadené samostatným signálom, ale ich účinok na kanál sa sčítava. Takúto triódu možno predstaviť ako dva bežné tranzistory zapojené do série.
Schémy tranzistorov s účinkom poľa
Rozsah použitia tranzistorov s poľovým efektom je rovnaký ako v prípade ako v prípade bipolárnych tranzistorov.. Používajú sa najmä ako zosilňovacie prvky. Bipolárne triódy sa používajú v zosilňovacích stupňoch s tromi hlavnými obvodmi:
- spoločný zberač (opakovač vysielača);
- spoločný základ;
- spoločný emitor.
Podobným spôsobom sú zapojené aj tranzistory s elektrickým poľom.
Spoločný odtokový obvod
Obvod so spoločným vypúšťaním (zdroj-spojka), podobne ako emitorový opakovač na bipolárnej trióde, neposkytuje žiadne napäťové zosilnenie, ale poskytuje prúdové zosilnenie.
Výhodou tohto zapojenia je jeho vysoká vstupná impedancia, ktorá je v niektorých prípadoch nevýhodou - stupeň sa stáva náchylným na elektromagnetické rušenie. V prípade potreby je možné Rin znížiť zaradením rezistora R3.
Obvod so spoločnou bránou
Tento obvod je podobný bipolárnemu tranzistoru so spoločnou bázou. Tento obvod poskytuje dobré zosilnenie napätia, ale žiadne zosilnenie prúdu. Podobne ako bežný základný dizajn sa bežne nepoužíva.
Spoločný zdrojový obvod
Najbežnejším usporiadaním je spoločné zapojenie zdroja s efektovými triódami. Jeho zosilnenie závisí od pomeru odporu Rc k odporu v obvode odtoku (do obvodu odtoku je možné umiestniť ďalší rezistor na nastavenie zosilnenia) a závisí aj od sklonu charakteristiky tranzistora.
Tranzistory s poľovým efektom sa používajú aj ako riadené rezistory. Na tento účel sa vyberie pracovný bod v rámci úseku vedenia. Na základe tohto princípu možno realizovať riadený delič napätia.
A na dvojbránovej trióde v tomto režime môžete realizovať napríklad zmiešavač pre prijímacie zariadenie - na jednej bráne prijímaný signál a na druhej - signál z heterodýnu.
Ak prijmeme teóriu, že dejiny sa vyvíjajú po špirále, môžeme vidieť vzorec vo vývoji elektroniky. Od elektrónok riadených napätím sa technológia posunula k bipolárnym tranzistorom, ktoré na riadenie potrebujú prúd. Špirála sa uzavrela - v súčasnosti prevládajú unipolárne triódy, ktoré podobne ako lampy nevyžadujú spotrebu energie v riadiacich obvodoch. Uvidíme, kam nás cyklická krivka zavedie ďalej. Zatiaľ nie je v dohľade žiadna alternatíva k tranzistorom s poľovým efektom.
Súvisiace články:
