3.3.2. Princip funkce unipolárního tranzistoru
Bipolární tranzistor potřebuje ke svému buzení výkon do bázového (v zapojení se společným emitorem) nebo emitorového (v zapojení se společnou bází) obvodu. Z popsaného principu funkce bipolárního tranzistoru totiž plyne, že primární veličinou ve vstupním obvodu je proud, který teče buď do báze (zapojení SE) nebo do emitoru (zapojení SB) bipolárního tranzistoru. Tato vlastnost neumožňuje integrovat větší množství (řádově tisíce) bipolárních tranzistorů na jediném čipu, neboť generované Jouleovo teplo by miniaturní čip nebyl schopen odvést. Bipolární tranzistory se proto používají zejména v analogových integrovaných obvodech, kde není tak vysoká hustota integrace, a v číslicových obvodech malé a střední hustoty integrace. Například řada druhů integrovaných operačních zesilovačů je konstruována na bipolárních tranzistorech, z číslicových obvodů jsou to technologie MTL (merged transistor logic) a ECL (emitter coupled logic); posledně zmíněná technologie se používá pro konstrukce velmi rychlých, tzv. zápisníkových pamětí (scratchpad memory) s dobou přístupu okolo 1 ns.
Bipolární tranzistor tedy sám o sobě nepředstavuje ekvivalent elektronky v pevné fázi, neboť, jak víme, elektronka je řízena napětím na řídicí mřížce, které je v pracovní oblasti elektronky záporné a tedy neteče mřížkový proud (řídicí mřížka odpuzuje elektrony). Výkon v mřížkovém, tedy řídicím, obvodu elektronky je tedy roven nule a elektronka tedy představuje aktivní prvek řízený napětím.
Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevu a konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effect transistor). Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, na kterém pracují bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takže jí neteče prakticky žádný proud (představuje ss odpor o velikosti cca 1012 W ).
Historicky první vznikly tranzistory s řídicí elektrodou (hradlem) izolovanou závěrně pólovaným přechodem PN, tzv. tranzistory JFET (junction FET). Princip funkce tohoto tranzistoru je patrný z obrázku 3.31.
obr. 3.31
Pro výklad si můžeme představit, že tranzistor JFET je tvořen polovodičem, např. typu N válcového tvaru, kde ve střední části je po obvodu vytvořen přechod PN (obrázek 3.31. ukazuje řez touto strukturou), tvořící hradlo (řídicí elektrodu, gate, G) tranzistoru a čela válce jsou opatřena kontakty, představující zbývající dvě elektrody tranzistoru. Elektroda, ke které vztahujeme napětí na tranzistoru, se nazývá zdrojová elektroda (source, S), elektroda, na kterou je připojeno napětí, odtoková elektroda (drain, D). Přestože tato označení elektrod popisují lépe funkci jednotlivých elektrod, v naprosté většině schemat se setkáte s označením E místo S a K (nebo C) místo D, takže často jediným rozlišením je poněkud jiný tvar schematické značky (viz též obrázek 3.31) a označení řídicí elektrody, která se dosti systematicky označuje písmenem G. Elektroda G je zapojena na napětí UGS takové polarity vůči S, aby přechod PN byl pólován v závěrném směru, elektroda D je vůči S na kladném (pro základní polovodič typu P na záporném) napětí UDS. Připomeňme si funkci přechodu PN; vytvořením přechodu PN vznikne v blízkosti přechodu oblast vázaného náboje, jejíž šířka je, zhruba řečeno, nepřímo úměrná odmocnině z koncentrace příměsí. Tato šířka dále závisí na přiloženém napětí v závěrném směru tak, že s rostoucím napětím v závěrném směru roste i šířka této oblasti. V této oblasti je tedy vázaný náboj (jsou to ionty příměsí, které jsou vázány v mříži), který nepřispívá k vedení proudu v polovodiči. Podívejme se nyní na obrázek 3.31 a představme si, že průměr válcového trámku polovodiče tvořícího tranzistor JFET je tak malý, že je jen několikrát větší než šířka oblasti vázaného náboje na přechodu PN v případě, že na přechod není přiloženo napětí. Na obrázku je znázorněna situace, kdy je přiloženo napětí jak na hradlo, tak na odtokovou elektrodu. Trámek polovodiče tvořící tranzistor JFET je homogenní materiál a proto se na něm napětí UDS rozloží prakticky rovnoměrně po jeho délce. To znamená, že představíme-li si napětí mezi elektrodou S a místem trámku majícím vzdálenost x od elektrody S, pak toto napětí bude přímo úměrné vzdálenosti x. Elektroda G, neboli přechod PN, má konečnou délku a tedy napětí mezi elektrodou G a S je také závislé na vzdálenosti x od elektrody S a to tak, že směrem k elektrodě D závěrné napětí roste. Proto také šířka oblasti vázaného náboje v okolí přechodu roste směrem k elektrodě D, což má za následek zúžení průřezu válcové části polovodiče, kterou může téci proud. Zvětšíme-li nyní (závěrné) napětí UGS, zmenšíme dále tento průřez a lze si snadno představit situaci, kdy napětí UGS bude tak vysoké, že se oblasti vázaného náboje spojí v ose válce, takže průřez té části polovodiče, která obsahuje volné nosiče náboje, a která tedy může přispívat k vedení proudu mezi elektrodami S a D, bude roven nule a proud mezi elektrodami S a D klesne rovněž na nulu. Jinými slovy napětím mezi elektrodami G a S řídím velikost proudu mezi elektrodami S a D; vytvořil jsem aktivní prvek v pevné fázi, jehož funkce je, z hlediska vnějšího obvodu, obdobná jako u elektronky. Proud tekoucí do řídicí elektrody (u elektronky dán prakticky jen izolačním odporem mezi mřížkou a katodou, tedy prakticky v řádu 10-12 A, tedy zcela zanedbatelný) je dán závěrným proudem přechodu PN, tj. je v řádu jednotek až desítek nA. Všimněme si ještě, že pracovní oblast právě popsaného JFETu, tedy oblast napětí na hradle, kdy dochází k ovlivňování proudu mezi elektrodami S a D, leží v oblasti napětí záporných vůči elektrodě S, je-li tranzistor tvořen materiálem typu N (takový tranzistor pak nazýváme tranzistor JFET s kanálem typu N) a kladných vůči elektrodě S, je-li tranzistor JFET tvořen materiálem typu P (JFET s kanálem typu P). JFET s kanálem typu N pak tvoří prakticky přímou náhradu elektronky, kde elektroda S odpovídá katodě, elektroda D anodě a hradlo G mřížce. Podobně jako u elektronek se proto zavádí tzv. strmost tranzistoru FET, tj. derivace dIDS/dUGS při konstantním napětí UDS (má rozměr Siemens, častěji se však používá jednotka mA/V), která představuje skutečně strmost (tedy směrnici tečny) převodní charakteristiky tranzistoru JFET.
Objev tranzistoru JFET byl za krátkou dobu následován objevem tranzistoru typu MOSFET. U tohoto tranzistoru je hradlo izolováno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO2 a tak stejnosměrný vstupní odpor tohoto prvku je teoreticky nekonečný, v praxi je řádu 1011-1012 W.
Typická struktura MOSFETu je ukázána na obrázku 3.32.
obr. 3.32
Do substrátu o vodivosti P jsou nadifundovány dvě oblasti typu N a tyto oblasti slouží jako elektrody S a D. Řídicí elektroda je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrsvou SiO2. Přiložíme-li nyní na řídicí elektrodu dostatečně vysoké kladné napětí (avšak nikoliv tak vysoké, abychom izolační vrsvičku prorazili), vytvoří se na povrchu polovodiče typu P v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva, tj. vrstva o opačné vodivosti, tedy o vodivosti N a tato inverzní vrstva propojí oblasti typu N (tedy elektrody S a D) a proud mezi těmito elektrodami může procházet. Průřez kanálu mezi elektrodami S a D, tvořeného touto inverzní vrstvou, je závislý na velikosti rozdílu mezi napětím, přiloženým na hradlo tranzistoru a napětím ve vzdálenosti x od elektrody S tranzistoru, podobně jako tomu bylo u tranzistoru JFET. Zde je ale napětí na hradle a napětí na elektrodě D tranzistoru stejné polarity, což má za následek, že průřez kanálu klesá se vzdáleností x. V blízkosti elektrody D se může stát, pro určitou velikost napětí UGS a napětí UDS, že inverzní vrstva zmizí a omezí tak proud mezi elektrodami S a D. To se projeví na výstupní charakteristice tranzistoru (závislost proudu IDS na napětí UDS pro konstantní UGS) saturací proudu od určité hodnoty UDS.
Vznik inverzní vrstvy je možné kvalitativně vysvětlit následující úvahou. Přiložíme-li na hradlo G tranzistoru MOSFET kladné napětí vůči elektrodě S, vzniká efektem elektrostatické indukce elektrické pole v izolační vrstvě, neboť záporný náboj ve vrstvě se hromadí v blízkosti hradla a kladný v blízkosti povrchu polovodiče. Tento kladný náboj opět indukuje hromadění záporného náboje v blízkosti rozhraní oxid-polovodič, ale na straně polovodiče. V blízkosti rozhraní oxid-polovodič tedy vzniká v polovodiči typu P vrstva obohacená elektrony. Je-li náboj nahromaděný na straně oxidu v blízkosti rozhraní oxid-polovodič dostatečně veliký (to závisí na velikosti napětí na elektrodě G a na tloušťce izolační vstvičky, tj. na elektrickém poli, které se přes oxidovou vrstvičku vytvoří), může obohacení elektrony v polovodiči vést k vytvoření vrstvy opačné vodivosti, než měl původní polovodič, tedy typu N; tato vrstva se nzývá proto inverzní vrstva. Obdobný efekt nastává, zvolíme-li základní materiál typu N, elektrody S a D vytvoříme oblastmi typu P a na hradlo G a elektrodu D budeme přikládat záporné napětí vůči elektrodě S. Podle toho, jaké vodivosti je inverzní vrstva, rozlišujeme tranzistory MOSFET s kanálem typu N a s kanálem typu P. Mnemotechnicky si můžeme pamatovat, že polarita napětí na kolektoru bipolárního tranzistoru NPN v zapojení SE je stejná jako na elektrodě D tranzistoru MOSFET s kanálem typu N, tedy kladná vůči emitoru nebo elektrodě S, a naopak záporná vůči emitoru nebo elektrodě S, jedná-li se o tranzistor typu PNP nebo MOSFET s kanálem typu P. Proto se také často používá označení K nebo C pro elektrodu D a E pro elektrodu S; je však třeba si uvědomovat, že oba druhy tranzistorů (bipolární a unipolární) pracují na zcela odlišných fyzikálních principech.
U výše popsaného tranzistoru MOSFET nepoteče proud IDS, bude-li na elektrodě G nulové napětí vůči elektrodě S. Je to tím, že inverzní vrstva je indukována napětím na hradle tranzistoru, bez napětí inverzní vrstva neexistuje a tranzistor tedy nevede. Říkáme, že se jedná o tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem. Pracovní oblast napětí na hradle leží tedy (pro MOSFET s indukovaným kanálem typu N) v oblasti kladných napětí vůči elektrodě S. To je často výhoda, neboť nám v aplikaci stačí jeden zdroj napětí, ale pracovní oblasti tranzistoru MOSFET a tranzistoru JFET s kanálem stejné vodivosti se nepřekrývají, takže např. není možná záměna obou typů. Z tohoto důvodu byl vyvinut ještě jeden druh tranzistorů typu MOSFET a sice MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem. Jeho struktura se neliší podstatně od té, znázorněné na obrázku 3.32, pouze při povrchu základního polovodiče u oxidové vrstvičky je technologicky vytvořena tenká oblast vodivosti N, která slouží jako vodivý kanál mezi elektrodami S a D v případě, že na elektrodě G je nulové napětí vůči S. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem tedy vede proud IDS v případě, že na elektrodě G je nulové napětí. Je-li kanál technologicky vytvořen, může tranzistor MOSFET pracovat ve dvou režimech, režimu obohacení (enhancement) a režimu ochuzení (depletion). Režim obohacení nastává při přiložení kladného napětí na elektrodu G, kdy stejným mechanismem elektrostatické indukce jako byl popsán u MOSFETu s indukovaným kanálem se kanál dále rozšiřuje a tedy obohacuje o elektrony, stává se vodivější a příslušné výstupní charakteristiky se nasycují při vyšším proudu (při jinak stejném UGS). Při přiložení záporného napětí na elektrodu G funguje opět mechanismus elektrostatické indukce, ale s opačným efektem, technologicky vytvořený kanál typu N se ochuzuje o elektrony, jeho průřez klesá, až při určitém dostatečně velikém záporném napětí UGS proud mezi elektrodami S a D klesne prakticky na nulu, tranzistor se zavře. Režimu tranzistoru MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem typu N při přiložení záporného napětí na hradlo říkáme proto režim ochuzení. Pracovní oblast tranzistoru MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem leží tedy obecně v kladných i záporných napětích UGS, a je možno ji vhodným technologickým postupem ”posunout” buď víc do oblasti kladných nebo víc do oblasti záporných napětí na hradle. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem může proto sloužit jako ekvivalent tranzistoru JFET a tedy i elektronky.
Při práci s tranzistory MOSFET je třeba zachovávat zásady práce se součástkami citlivými na statickou elektřinu. Aby byla strmost tranzistorů MOSFET co nejvyšší, vyrábí se tranzistory MOSFET s velmi tenkou izolační vrstvičkou, která snese jen velmi malé napětí, např. jen 20-30 V. To znamená, že tato vrstvička může snadno být proražena napětím, které vzniká třením oděvu z umělé hmoty o vzduch, nebo o nábytek z umělé hmoty (vodivost dřeva je obvykle dostatečná, aby se statický náboj nemohl vytvořit, ale pozor na dřevěné židle s umělohmotným potahem), které může snadno dosáhnout několika kV. Jistě jste již zažili jiskru, která přeskočila mezi vaším prstem a uzemněným předmětem potom, co jste si např. svlékli svetr z umělé hmoty. Tato jiskra je i několik mm dlouhá a v suchém vzduchu se napětí může zhruba měřit délkou jiskry: 1mm~ 1kV. Takové napětí nemůže vydržet žádný tranzistor MOSFET a proto nezbývá než jej před takovými událostmi chránit. Správné pracoviště s elektronickými součástkami, které jsou citlivé na statickou elektřinu (anglický název pro tyto součástky je ESD sensitive devices - Electro-Static-Discharge sensitive devices, česky zařízení citlivé na statickou elektřinu), má obsahovat uzemněnou pracovní plochu, např. stůl pokrytý uzemněným plechem, a pracovník má mít na zápěstí uzemněný náramek. Je třeba dávat i pozor na přítomnost vysílačů, neboť napětí naindukované na nožičkách součástky vlivem pole od vysílače může též součástku zničit; tranzistory FET se proto dodávají se zkratovanými vývody a zkratovací perko se může odstranit až po zaletování součástky do obvodu. Ve své praxi se s největší pravděpodobností nesetkáte se situací, kdy byste museli sami tranzistor letovat (v tom případě nepoužívejte transformátorové pájky, ale pájky s nepřímým ohřevem, jejíž pouzdro je možné uzemnit). Velmi pravděpodobně však budete muset např. vyměnit desku v počítači, která je plná integrovaných obvodů s tranzistory MOSFET. Této akce se není třeba obávat, neboť všechny integrované obvody obsahující tranzistory MOSFET jsou na svých vstupech chráněny proti přepětí; to však neznamená, že nejdou zničit jiskrou. Vždy je proto zapotřebí před tím, než se dotknete vlastní desky, dotknout se uzemněného kovového předmětu, např. ústředního topení, kohoutku od vodovodu apod. a pak se vyvarovat akcí, které by mohly vést k vašemu opětovnému nabití, např. vstaní ze židle. Vyjmutou desku z počítače je nejlépe hned vložit do původního plastikového obalu, který je zhotoven z vodivé umělé hmoty, nebo alespoň zabalit do papíru, který zdaleka není tak nevodivý, jak by se mohlo zdát; v žádném případě však do obyčejného PVC sáčku, to je vysoce nevodivá hmota velmi náchylná k lokálnímu nabití. Zabýval jsem se při tomto popisu pouze ochranou proti statické elektřině, nemusím snad zdůrazňovat, že před takové akci musí být počítač vypnut a ponechán určitou dobu vypnutý, aby se vybily náboje na eventuálních kondenzátorech.
Pro zvídavé posluchačky a posluchače uvádím, že ochrana řídicí elektrody proti statickému náboji se obvykle provádí pomocí Zenerových diod zapojených mezi G a S, nebo pomocí obyčejných diod zapojených proti zápornému a kladnému pólu napájení. Je možná i ochrana doutnavkou, která však musí mít zápalné napětí nižší, než je maximální povolená hodnota UGS; tato ochrana je však rozměrná, vhodná jen pro vyšší napětí UGS a navíc nepříliš spolehlivá, neboť zápalné napětí doutnavky může s časem růst (rozprašují se elektrody a vrstva kovu na skle doutnavky zevnitř působí jako sorpční vývěva, tlak v doutnavce klesá a zápalné napětí roste). Možné obvody ochrany hradla tranzistoru MOSFET jsou na obrázcích 3.33a, 3.33b
obr. 3.33a - ochrana doutnavkou
obr. 3.33b ochrana ochrana dvojicí Zenerových diod
