 |
|
Prvek řízený napětím: JFET MOSFET Logické obvody Integrované logické obvody
|
|
Unipolární tranzistor je polovodičová součástka skládající se z polovodičů typu N a P. Oproti bipolárnímu tranzistoru ¤ má jednu základní výhodu. Bipolární tranzistor potřebuje ke své činnosti výkon do bázového (v zapojení se společným emitorem) nebo emitorového (v zapojení se společnou bází) obvodu. Z principu funkce bipolárního tranzistoru plyne, že primární veličinou ve vstupním obvodu je proud, který teče buď do báze (zapojení SE) nebo do emitoru (zapojení SB) bipolárního tranzistoru.
To neumožňuje integrovat větší množství (řádově tisíce) bipolárních tranzistorů na jediném čipu, neboť vzniklé Jouleovo teplo není miniaturní čip 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.
Pro obvody s vysokou hustotou integrace je potřeba tranzistor, jehož vstupním obvodem neteče proud (je řízený napětím, podobně jako elektronka). A to jsou tranzistory řízené polem, jinak nazývané FET (z anglického field effect transistor). Jejich princip je značně odlišný od principu bipolárního tranzistoru. 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 (má odpor cca 1012 W ). Existují dva druhy unipolárních tranzistorů - JFET a MOSFET.
Tranzistor JFET( junction FET)
Tranzistor JFET je tvořen polovodičem, např. typu N, válcového tvaru, v jehož střední části je po obvodu vytvořen přechod PN (tj. válec je obalen "slupkou" z polovodiče typu P), tvořící hradlo neboli řídicí elektrodu tranzistoru (označení G) a čela válce jsou opatřena kontakty, představující zbývající dvě elektrody tranzistoru - zdrojová elektroda (označení S nebo E) a odtoková elektroda (označení D, K nebo C) (obr. 1).
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.
 |
| obr. 1: Řez tranzistorem JFET a pohled zepředu (podél osy) |
Vytvořením přechodu PN vznikne v blízkosti přechodu oblast vázaného náboje ¤, jejíž šířka roste se zvětšujícím se napětí v závěrném směru. V této oblasti je tedy vázaný náboj, který nepřispívá k vedení proudu v polovodiči.
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; tranzistor funguje podobně jako elektronka. 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.
obr. 2: Schematické značky pro tranzistor JFET
Tranzistor MOSFET (Metal - oxid - semiconductor FET)
Hradlo je izolováno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO2. Jeho odpor je tedy teoreticky nekonečný, v praxi je řádu 1011-1012 W.
obr. 3: Struktura tranzistoru MOSFET
V kusu polovodiče typu N jsou dvě oblasti typu P a ty slouží jako elektrody S a D. Řídicí elektroda G je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrstvou SiO2. Přiložíme-li nyní na řídicí elektrodu dostatečně vysoké záporné napětí (avšak nikoliv tak vysoké, aby nastal elektrický průraz vrstvičky SiO2), vytvoří se na povrchu polovodiče typu N v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva, tj. vrstva o opačné vodivosti, tedy o vodivosti P a tato inverzní vrstva propojí obě oblasti typu P (elektrody S a D) a mezi těmito elektrodami může procházet proud (obr. 4).
obr. 4: MOSFET po přiložení záporného napětí na řídící elektrodu
Proč inverzní vrstva vzniká? Přiložíme-li na hradlo G záporné napětí vůči elektrodě S, vzniká elektrostatickou indukcí elektrické pole v izolační vrstvě SiO2 - kladný náboj ve vrstvě se hromadí v blízkosti hradla a záporný v blízkosti povrchu polovodiče. Tento záporný náboj opět indukuje hromadění kladného náboje v polovodiči. V blízkosti rozhraní oxid-polovodič tedy vzniká v polovodiči typu N vrstva ochuzená o elektrony. Toto ochuzení o elektrony může v polovodiči vést k vytvoření vrstvy opačné vodivosti, než měl původní polovodič, tedy typu P; tato vrstva se proto nazývá inverzní vrstva (obr. 4).
Obdobný efekt nastává, zvolíme-li základní materiál typu P, elektrody S a D vytvoříme oblastmi typu N a na hradlo G a elektrodu D budeme přikládat kladné 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 mezi elektrodami D a S, 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 P) v oblasti záporných napětí vůči elektrodě S. To je často výhoda, neboť nám v aplikaci stačí jeden zdroj napětí, ale nelze vzájemně zaměňovat typy MOSFET a JFET. Z tohoto důvodu byl vyvinut ještě jeden druh tranzistorů typu MOSFET, a sice MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem (obr. 5).
obr. 5: MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem
Jeho struktura se neliší podstatně od té, znázorněné na obr. 3 ¤, pouze při povrchu základního polovodiče u oxidové vrstvičky je technologicky vytvořena tenká oblast vodivosti P, 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 a režimu ochuzení.
Režim obohacení nastává při přiložení záporného napětí na elektrodu G, kdy se elektrostatickou indukcí kanál dále rozšiřuje a tedy ochuzuje o elektrony a stává se vodivější (obr. 6).
Režim ochuzení: Při přiložení kladného napětí na elektrodu G nastává opět elektrostatická indukce, ale s opačným efektem, technologicky vytvořený kanál typu P se obohacuje o elektrony, jeho průřez klesá, až při určitém dostatečně velikém kladném napětí UGS proud mezi elektrodami S a D klesne prakticky na nulu, tranzistor se zavře( obr. 7).
 obr. 6: MOSFET v režimu obohacení |
 obr. 7: MOSFET v režimu 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.
Aby byly tranzistory MOSFET co nejcitlivější, mají velmi tenkou izolační vrstvičku. Ta může být snadno elektricky proražena. Jak tomu zamezit se dočtete zde ¤.
Používá se podobně jako bipolární tranzistor ¤ (tj. např. zesilovače či spínače), oproti němu má tu výhodu, že je řízen napětím.
Jiný příklad použití je v logických obvodech ¤. Konkrétní zapojení obvodu realizujícího logickou funkci negace je na obr. 8.
obr. 8: Zapojení obvodu NOT s unipolárním tranzistorem
Funkce obvodu: Není-li na vstupu žádné napětí (logická nula), je
tranzistor zavřen, má velký odpor, neteče jím proud a na jeho výstupu je
prakticky celé napětí zdroje, tedy logická 1.
Je-li na vstupu napětí, je tranzistor otevřen, má malý odpor, tedy je na něm
malé napětí a tedy na výstupu je logická nula.
Další (velká) kapitola: Integrované obvody ¤