Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umis ováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura redakce@ben.cz
Kapitola 3 UNIPOLÁRNÍ TRNZISTORY 3.1 Obecný popis 186 3.2 Unipolární tranzistory s pøechodovým hradlem (JFET) 189 3.3 MOSFET 204 3.4 MOSFET zvláštní konstrukce 215 3.5 Nastavení pracovního bodu 220 3.6 Základní zapojení FET 224 3.7 Pøíklady použití 232
3 UNIPOLÁRNÍ TRNZISTORY 3.1 Obecný popis Unipolární tranzistory se obvykle oznaèují zkratkou FET (Field-Effect-Transistor). Proud je u nich øízen elektrickým polem, které je kolmé ke smìru protékajícího proudu. Tato možnost byla sice objevena již v roce 1928, k praktickému využití došlo až po vývoji vhodných materiálù. Na obr. 3.1 je základní princip èinnosti FET. Obr. 3.1 Základní princip èinnosti FET Zatímco u bipolárních tranzistorù protéká hlavní proud vždy pøes rozhraní mezi polovodièovými materiály s dotací n a s dotací p, v unipolárním tranzistoru putují náboje jen jedním typem materiálu, podle provedení buï n, nebo p. Jestliže dráha proudu probíhá v materiálu s dotací n, mluvíme o typu s kanálem N (N-kanálem). U typu s kanálem P prochází proud naopak materiálem s vodivostí p. Podle toho proud u typu s kanálem P je zprostøedkován pouze dìrami, u typu s kanálem N pouze elektrony. Z toho dùvodu jsou prvky FET oznaèovány jako unipolární tranzistory. Dnes již existují nejrùznìjší druhy unipolárních tranzistorù. Zásadní dìlení však musíme vést mezi dvìma skupinami, a to mezi typy FET s pøechodovým hradlem (hradlem, izolovaným závìrnì polarizovaným pøechodem PN) a MOS-FET (MOS = metal-oxidesemiconductor). FET se závìrnou vrstvou jsou nazývány také jako JFET nebo PN-FET. U MOSFET mùžeme také najít oznaèení IG-FET (IG = insulated gate). Na obr. 3.2 je pøehled rùzných typù unipolárních tranzistorù. FET s pøechodovým hradlem se dìlí na typy s kanálem N a s kanálem P. MOSFET se dìlí na typy, které bez vnìjšího napìtí vedou a které bez vnìjšího napìtí nevedou. Ty se 186 ELEKTRONIK SOUÈÁSTKY ZÁKLDNÍ ZPOJENÍ
opìt dìlí na typy s kanálem N a s kanálem P. Kromì toho se vyskytují také typy se zvláštním konstrukèním provedením. Pro oznaèování rùzných typù a provedení FET nebylo vytvoøeno žádné schéma. Také jejich pouzdra se neliší od bipolárních tranzistorù. Obr. 3.2 Pøehled rùzných typù unipolárních tranzistorù. ž na nìkterá zvláštní provedení mají unipolární tranzistory tøi vývody. Oznaèují se jako Source (angl. source = zdroj, zøídlo), Gate (angl. gate = brána, hradlo) a Drain (angl. drain = odtok, výpus ). Elektroda Source (S) odpovídá emitoru, elektroda Gate (G) bázi a elektroda Drain (D) kolektoru bipolárního tranzistoru. V èeských textech bývá zachováno oznaèení hradla (G), elektroda S se oznaèuje jako emitor (E) a elektroda drain jako kolektor (C). Zde bude používáno originální oznaèení. Pro pøehled je užiteèné uvést základní pojmy anglické, èeské a nìmecké terminologie: anglicky èesky nìmecky junction FET FET s pøechodovým hradlem Sperrschicht-FET MOSFET, MOSFET s vodivým kanálem, Selbstleitende MOS-FETs depletion type ochuzovaný typ, Verarmungstyp D-type s technologicky vytvoøeným kanálem MOSFET, MOSFET s nevodivým kanálem, Selbstsperrende MOS-FETs enhancement type obohacovaný typ, nreicherungstyp E-type s indukovaným kanálem 3 UNIPOLÁRNÍ TRNZISTORY 187
Obr. 3.3 Schematické znaèky unipolárních tranzistorù Pro jednotlivé typy unipolárních tranzistorù se používají zvláštní schematické znaèky souhrnnì uvedené na obr. 3.3. Charakteristickou vlastností všech unipolárních tranzistorù je velmi vysoký vstupní odpor. U JFET s pøechodovým hradlem je asi 10 9 W, u MOSFET dokonce až 10 15 W. U unipolárních tranzistorù je øízení proudu provádìno elektrickým polem pøi témìø nulovém výkonu. Z toho vyplývají mnohé výhody pøi jejich používání. Technika MOS se napø. stále více používá v obvodech s vysokou hustotou integrace. Podrobnìjší popis technických vlastností unipolárních tranzistorù uvádìjí výrobci v katalogových listech, stejnì jako u ostatních elektronických souèástí. Katalogové listy obsahují èást s nejdùležitìjšími mezními hodnotami, èást s charakteristickými hodnotami a typické charakteristiky. Protože øídicí výkon je vìtšinou zcela zanedbatelný, je poèet charakteristik menší než u bipolárních tranzistorù. Také u unipolárních tranzistorù existují teplotní závislosti charakteristických hodnot, na nìž je nutné v praktickém používání brát ohled. Dále je tøeba poèítat se ztrátovým výkonem. Ten se mìní na teplo, které musí být odvedeno do okolního vzduchu. Souvislosti a vztahy jsou stejné jako u bipolárních tranzistorù. Kromì standardních provedení tranzistorù s pøechodovým hradlem a MOSFET existují ve skupinì MOSFET zvláštní typy, které jsou výsledkem dalšího vývoje. Jsou to Dual-Gate MOSFET, V-MOSFET a SIPMOS-FET. Dual-Gate MOSFET mají dva øídicí vstupy, které lze použít k navzájem nezávislému øízení dvìma vstupními signály. Tak lze napøíklad postavit zesilovaè, jehož zesílení je možné v širokém rozmezí mìnit. Typy V- MOSFET a SIPMOS-FET byly vyvinuty pro zesilovaèe nebo pro spínání velkého výkonu až 5 kw. Výhodou pøitom je nepatrný øídicí výkon. Také u unipolárních tranzistorù je nutné nastavit a stabilizovat pracovní bod. Protože unipolární tranzistory mají tøi vývody, je možné také je používat ve tøech základních zapojeních. Jsou to zapojení se spoleènou elektrodou source, drain a gate (SS, SD, SG, angl. CS, CD, CG = common source, drain, gate). Název vyjadøuje, která elektroda je spoleèná pro vstupní a výstupní signál. Zapojení se spoleènou elektrodou source odpovídá zapojení se spoleèným emitorem a je nejèastìji používaným zapojením. Zapojení se spoleènou elektrodou drain lze pøirovnat k zapojení se spoleèným 188 ELEKTRONIK SOUÈÁSTKY ZÁKLDNÍ ZPOJENÍ
kolektorem a je používáno hlavnì pro transformaci impedance. Zapojení se spoleènou elektrodou gate vykazuje obdobné vlastnosti jako zapojení se spoleènou bází. Jeho použití se omezuje na speciální pøípady. Unipolární tranzistory se jako diskrétní souèásti používají pøedevším ve stejnosmìrných zesilovaèích, ve zdrojích konstantního proudu a ve støídavých zesilovaèích. Použití ve støídavých zesilovaèích se pøitom omezuje pøedevším na pøedzesilovaèe v nízkofrekvenèní a vysokofrekvenèním pásmu, také jako první stupnì vícestupòových zesilovaèù. Použití unipolárních tranzistorù je výhodné v analogových integrovaných obvodech, nejvýznamnìjší oblastí použití je však digitální technika. 3.2 Unipolární tranzistory s pøechodovým hradlem (JFET) 3.2.1 Provedení a funkce Èinnost unipolárního tranzistoru s pøechodovým hradlem lze vysvìtlit podle obr. 3.4. Je vytvoøen z tyèky polovodièového materiálu s vodivostí n nebo p. Na jejích koncích jsou umístìny kontaktní plošky, které ve styku s polovodièem netvoøí závìrnou vrstvu. Na obr. 3.4 je øez tranzistorem typu JFET s kanálem N. Obr. 3.4 Øez tranzistorem typu JFET s kanálem N Jako výchozí materiál unipolárního tranzistoru s kanálem N je použit køemík s vodivostí n. Na delších stranách tyèky jsou oblasti s vodivostí p, vytvoøené dodateèným legováním, které jsou navzájem vodivì spojeny. Tím vzniknou proti sobì dva pøechody PN. Pøívod k obou oblastem p je zde oznaèen jako Gate (G). Tyto pøechody jsou dùvodem k oznaèení tìchto unipolárních tranzistorù jako PN-FET nebo JFET (Junction FET). Jestliže se nyní na vývody D a S pøiloží napìtí U DS, bude oblastí køemíkové tyèky s vodivostí n protékat proud elektronù I D. Pøi polaritì napìtí, uvedené na obr. 3.4, putují 3 UNIPOLÁRNÍ TRNZISTORY 189
elektrony od pøívodu source (S) k pøívodu drain (D) oblastí køemíku s vodivostí n, oznaèenou zde jako kanál N. Pøiložením záporného napìtí -U GS mezi gate a source pole obr. 3.4 se oba pøechody PN dostávají do závìrného stavu. V køemíku s vodivostí n a s vodivostí p se pøitom vytvoøí závìrné vrstvy, takže pøes tyto pøechody PN, které jsou pólovány v závìrném smìru, nemùže protékat proud. Závìrné vrstvy se však rozšíøí smìrem do kanálu a tím se sníží prùøez, kterým mùže protékat proud. Prùbìh takto vytvoøených závìrných oblastí je ovlivnìn úbytkem napìtí ve smìru proudových èar uvnitø kanálu. V blízkosti elektrody source je dráha proudu nejširší, ve smìru k elektrodì drain se zužuje. Èím vìtší je záporné napìtí -U GS mezi gate a source, tím širší jsou závìrné oblasti v kanálu a v dùsledku toho se zužuje prùøez, kterým mùže v kanálu protékat proud. Velikost odporu R DS, který je v cestì proudu mezi elektrodami source a drain, závisí tedy u JFET s kanálem N na velikosti závìrného napìtí -U GS. Proto je možné záporným napìtím na elektrodì G mìnit v širokých mezích odpor dráhy proudu. Když se napìtí -U GS zvìtší tak, že se závìrné oblasti dotknou, je kanál úplnì zaškrcen a proud je pøerušen. Proud I D klesne k nule. Protože pøechodem PN teèe v závìrném smìru jen velmi malý zbytkový proud, nevyžaduje øízení proudu mezi elektrodami D a S napìtím -U GS prakticky žádný výkon. 3.2.2 Oznaèení a schematické znaèky Protože se unipolární tranzistory svými vlastnostmi a chováním výraznì liší od bipolárních tranzistorù, Používají se pro nì nejen jiné schematické znaèky, ale také jiné oznaèení elektrod. Na obr. 3.5 je uvedeno srovnání JFET s kanálem N a s kanálem P. Pøívod s oznaèením S dodává (emituje) nosièe náboje, proto je oznaèen jako Source (angl. source = zdroj, zøídlo). Elektroda s oznaèením D tyto nosiè zachycuje a odvádí, proto má název Drain (angl. drain = odtok, výpus ). Pomocí pøívodu G se proud nosièù náboje øídí. Nese tedy oznaèení Gate (angl. gate = brána, hradlo). JFET s kanálem N pracuje s kladným napìtím U DS a se záporným napìtím U GS. Jako nosièe proudu slouží elektrony. U JFET s kanálem P vedou proud díry, proto pracuje se záporným napìtím U DS a s kladným napìtím U GS. Na obr. 3.5 jsou také normalizované schematické znaèky obou typù JFET. Šipka v pøívodu hradla (gate) oznaèuje vždy smìr pøechodu od vrstvy p k vrstvì n. Kromì toho jsou zde také uvedena napìtí U DS a U GS, potøebná pro normální provoz tranzistoru. Také jsou zde uvedeny pøevodní charakteristiky pro oba typy. V obou pøípadech se pøi zvìtšováním hodnoty napìtí U GS a U GS proud I D zmenšuje. 3.2.3 Charakteristiky 3.2.3.1 Pøevodní charakteristika Øízení prùtoku proudu kanálem je u unipolárních tranzistorù s pøechodovým hradlem provádìno zmìnou závìrného napìtí na pøechodech PN. Z obr. 3.4 je zøejmé, že se vyprázdnìné zóny v kanálu nerozšiøují rovnomìrnì. Ve smìru k elektrodì drain dochází 190 ELEKTRONIK SOUÈÁSTKY ZÁKLDNÍ ZPOJENÍ
Obr. 3.5 Øezy strukturou, schematické znaèky a pøevodní charakteristiky pro JFET s kanálem N a P ke klínovitému zúžení, protože se rozdíl napìtí mezi elektrodami G a D postupnì zvyšuje. Když se napìtí mezi gate a source U GS zvýší natolik, že se závìrné oblasti dotknou, je kanál zaškrcen a tím je prakticky zavøen. Napìtí, pøi kterém k tomuto jevu dojde, je oznaèováno jako prahové napìtí U P, anglicky pinch-off-voltage (napìtí pro zaškrcení). Závislost proudu elektrodou drain I D na napìtí gate source U GS mùže být stanovena v zapojení podle obr. 3.6. Pøi vyšetøování vlastností typu s kanálem P postaèí pouze zmìnit polaritu obou napìtí. 3 UNIPOLÁRNÍ TRNZISTORY 191