Elektronika

Maturitní otázky

UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY

14.unipolární tranzistory

Tranzistory řízené elektrickým polem

Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodovým hradlem (JFET)

                Uspořádání tohoto typu tranzistoru je schématicky znázorněno na obr. 115. Základem je polovodičová destička s nevlastní vodivostí typu N opatřena na obou koncích neusměrňovacími kovovými kontakty, které slouží k přiváděn proudu a mají význam emitor (E) a kolektoru (C). Do horní i dolní stěny základní destičky je v délce l vytvořena difúzí silně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti (P⁺) nazvaná hradlo (G). Obě části hradla jdou spolu vodivě spojeny. Hradlo tvoří řídící elektrodu tranzistoru. Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál. Jsou-li hradlo i kolektor spojeny s kolektorem (U_CE = U_GE = 0) (obr. 116a), tvoří se v okolí hradla vyprázdněná oblast znázorněná na obr. 116 tečkovanými plochami. Tloušťku vyprázdněné oblasti je možné měnit napětím přiloženým k přechodu. Připojíme-li tedy mezi hradlo a emitor napětí U_GE (obr 116b), tak, aby přechod byl polarizován ve zpětném směru, můžeme obě vyprázdněné oblasti rozšířit. Tím zúžíme vodivou část kanálu a zvětšíme jeho odpor. Je zřejmé, že odpor kanálu můžeme měnit velikostí napětí přiloženého ve zpětném směru mezi hradlo a emitor. Přitom přívodem hradla neprochází téměř žádný proud (I_G = 0, skutečný proud I_G je řádově jednotek pikoampérů).

Uvažujme nyní opět U_GE = 0. Připojíme-li mezi hradlo a emitor napájecí zdroj s polaritou vyznačenou na obr. 117a, jehož napětí budeme postupně od nuly zvětšovat objeví se kolektorový proud I_C. Při nulovém nebo velmi malém napětí U_CE je vyprázdněná oblast kolem částí hradla rovnoměrná a proud I_C se zvětšuje pří vzrůstu napětí U_CE lineárně (obr. 117b). Při dalším zvěšování napětí U_CE začíná kladné napětí připojené v místě kolektoru na kanál vodivosti N působit jako předpětí hradlo-kanál ve zpětném směru a s tím rozšiřovat vyprázdněnou oblast. Toto rozšíření je největší v blízkosti kolektoru, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťového úbytku působeného proudem I_C od kolektoru k emitoru zmenšuje. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení vyprázdněné oblasti podél hradla (obr. 117a a obr.115).

Vliv napětí U_CE na rozložení vyprázdněné oblasti má za následek zvětšování odporu kanálu při zvětšování napětí U_CE. Proud I_C proto roste při růstu napětí  U_CE stále pomaleji (obr. 117b). Při dosažení napětí U_CE = U_P se vyprázdněné oblasti obou částí hradla téměř vzájemně dotknou. K úplnému dotyku (uzavření kanálu) nedojde. Kanál se pouze v určitém místě zúží na velmi tanku vrstvičku, která dovoluje průchod proudu I_C. Při dalším zvětšením napětí U_CE se úzká část kanálu prodlouží, odpor kanálu se zvětší a proud I_C již nevzroste. Dosahuje své nasycené hodnoty (obr. 117b).

Nastavíme-li určité napětí U_GE (ve zpětném směru), bude se při zvětšování napětí U_CE popsaná část tranzistoru opakovat. Vzrůst proudu I_C však bude od počátku pomalejší a k nasycení dojde již při menší hodnotě U_CE, neboť vlivem působícího napětí U_GE vycházíme nyní z užšího kanálu (obr. 116b). Popsané průběhy výstupních charakteristik tranzistoru JFE (obr. 118) 

Tranzistor řízený elektrickým polem s izolovaným hradlem

MISFET s vodivým kanálem

                Do povrchu slabě dotované základní destičky z křemíku, která má vodivost P, jsou difúzí vhodné příměsi vytvořeny dva rovnoběžné příkopy se silnou koncentrací příměsí (N⁺), které tvoří emitor a kolektor (obr. 119). Mezi nimi je tenčí, méně dotované vrstva N tvoří kanál. Celý povrch destičky je okysličen. Vrstvou kysličníku procházejí pouze vývody emitoru a kolektoru. Na vrstvu kysličníku nad místem, ve kterém je vytvořen kanál, je napařena vrstva hliníku, která tvoří řídící elektrodu (hradlo G). Protože kysličník křemičitý (SiO₂), je velmi dobrý izolant, je hrdlo od kanálu dobře izolováno.

                Bude-li U_GE = U_CE = 0, vzniká v okolí přechodu PN na dolní hranici kanálu tenká vyprázdněná oblast rovnoměrného průřezu (obr. 120a).Zapojíme-li napájecí zdroj (stále při U_GE = 0) do obvodu kolektor – emitor a zvětšujeme-li postupně napětí U_CE. Začne kanálem poměrně prudce stoupat proud I_C neboť kanál je široký a jeho odpor je malý (obr. 120b, průběh U_GE = 0, oblast a na obr. 121). Kladné napětí U_CE však působí mezi základní deskou spojenou s emitorem a kanálem typu N jako předpětí na přechodu PN ve zpětném směru. Jeho růst způsobuje podobně jako v tranzistoru s přechodovým hradlem rozšiřování vyprázdněné oblasti v blízkosti kolektoru a tím omezuje růst proudu I_C (obr. 120c oblast b na obr. 121). Při dostatečném napětí (U_CE = U_p) se vyprázdněná oblast v blízkosti kolektoru rozšíří téměř přes celou tloušťku kanálu. Pro průchod proudu zbývá podobně jako při činnosti tranzistoru JFE jen tenká vodivá vrstvička na povrchu materiálu. Při dalším růstu napětí u_ce již ,proud I_C neroste, neboť délka tenké vodivé vrstvičky na povrchu kanálu se v důsledku dalšího rozšiřování vyprázdněné oblasti prodlužuje a odpor kanálu se zvětšuje (obr. 120c). Kolektorový proud je nasycen (oblast c na obr. 121).

Přiložíme-li na hradlo záporné napětí proti emitoru U_GE < 0 (obr. 119), nedojde k průchodu proudu v obvodu hradlo-kanál-základní destička, neboť hradlo je od kanálu izolováno. Elektrické pole pouze vytlačí z prostoru kanálu určité množství volných elektronů. Proto se odpor kanálu zvětší a při zvětšování napětí U_CE stoupá proud Ic mírněji než při nulovém předpětí hradla. Říkáme, ze tranzistor pracuje v režimu ochuzeni. (Ochuzení kanálu o volné nosiče náboje.) Ostatní činnost tranzistoru je stejná jako při U_GE = 0. Čím je záporné předpětí hradla větší, tím více volných elektronů je z kanálu vytlačeno a proud I_C při určitém napětí U_CE je menší (obr. 121). Při tzv. závěrném předpětí U_GEZ vytlačí elektrické pole z kanálu všechny volné elektrony a proud I_C klesne na nulu. Bude-li předpětí hradla proti emitoru kladné, přitáhne naopak elektrické pole do prostoru kanálu volné elektrony (minoritní nosiče a elektrony příslušející vlastní vodivosti) ze základní destičky. Tím se zvětší vodivost kanálu a proud I_C vzroste. Za této situace pracuje tranzistor v režimu obohacení.

MISFET s indukovaným kanálem

Konstrukční uspořádání i činnost tohoto tranzistoru je velmi podobná tranzistoru MIS s vodivým kanálem. Mezi difundovanými příkopy tvořícími emitor a kolektor není vytvořen vodivý kanál, a proto při U_GE = 0 neprochází mezi emitorem a kolektorem žádný proud.

Kanál vznikne vytlačením děr z prostoru mezi emitorem a kolektorem a přitažením volných elektronů ze základní destičky při přiložení kladného napětí na hradlo, tedy podobné jako v tranzistoru MISFE s vodivým kanálem při činnosti v režimu obohaceni. V tenké vrstvě polovodiče těsně pod elektrodou G převládne počet elektronu nad děrami. Vznikne tzv. inverzní vrstva, která se chová podobně jako vodivý kanál s vodivostí typu N. Kolem inverzní vrstvy vzniká vyprázdněná oblast, jejíž průřez je ovlivňován napětím U_CE stejně jako při činnosti tranzistoru s vodivým kanálem. Rozdíl je pouze v tom, že v popisovaném typu tranzistoru dochází k vytváření kanálu a k vedení proudu pouze při kladném předpětí hradla (U_GE > 0).

                Jak ukazují charakteristiky (obr. 123) dochází při zvětšení napětí U_GE ke vzrůstu proudu I_C, neboť při kladnějším napětí na hradle je indukovaný kanál tlustší a vodivější než při malém napětí U_GE.

                Kdyby jednotlivé části popisovaných tranzistorů byli vyrobeny z polovodiče obráceného druhu nevlastní vodivosti, než který byl předcházejícím výkladu uvažován, šlo by o tranzistor s kanálem P. Principem činnosti se od vyložených tranzistorů neliší. Vyžadují však obrácenou polaritu všech používaných napětí.

Tranzistor řízený elektrickým polem se Schottkyho kontaktem (MESFET)

                Uspořádání ukazuje obr. 124. Materiálem pro výrobu těchto tranzistorů je arzenid galia. Na základní destičce s velmi nízkou vodivostí (na tzv. semiizolačním substátu) je epitaxní vrstva AsGa vodivosti typu N a tloušťky asi 0,15 – 0,35 mm. Neusměrňující kontakty emitoru a kolektoru jsou ze slitiny Au-Ge. Hradlo vyrobené napařením vrstvičky hliníku tvoři Schottkyho kontakt, který se polarizuje napětím U_GE ve zpětném směru (záporným napětím proti emitoru). Činnost je velmi podobná činnosti tranzistoru JFE. Představte si JFET podélně rozpůlený vodorovnou rovinou (obr.115). Též statické charakteristiky mají stejný průběh (obr.115). Protože hradlo má délku l pouze několik desetin až několik jednotek milimetrů a Schottkyho kontakt neobyčejně rychle ovládá velikost vyprázdněné oblasti pod hradlem je tento tranzistor schopen zpracovat signály s frekvencí až několik desítek gigaherzů. Považuje se v současné době za nejperspektivnější součástku pro velmi vysoké frekvence.