Unipolární tranzistory – tranzistory řízené elektrickým polem – FET (field efect transistor)
Tyto tranzistory, běžně nazývané jako „fety“ využívají pro vedení proudu pouze polovodič jedné vodivosti (P nebo N). Tranzistor je ovládán napětím na řídící elektrodě, do této elektrody neteče téměř žádný proud. Elektrody tranzistoru mohou být označovány jako kolektor, emitor, báze, ale častěji se používá Drain, Source, Gate. Typ vodivého kanálu určuje jakým napětím je tranzistor ovládán. Z hlediska vnitřní struktury dělíme unipolární tranzistory na JFET, MOSFET a MOSFET s indukovaným kanálem.
V JFET tranzistoru tvoří hradlo (gate) a kanál (část tranzistoru tvořena polovodičem spojující drain a source) polovodičový přechod P-N. Tranzistor pracuje v tzv. ochuzeném režimu – při nulovém napětí je plně otevřen, při závěrně polarizovaném přechodu se vodivý kanál zužuje.
Tranzistor MOSFET má hradlo zcela izolované od vodivého kanálu. Můžepracovat v ochuzeném i obohaceném režimu. Při určitém záporném napětí Ugs je trazistor uzavřen, přes nulové napětí, kdy je otevřen až po kladné napětí, kdy je zcela otevřen.
U Trantistoru MOSFET s indukovaným kanálem vzniká vodivý kanál pouze po přiložrní kladného napětí Ugs, pracuje tedy pouze v obohaceném režimu. Výše uvedené platilo pro tranzistory s vodivým kanálem typu N (ve sch. značce šipka dovnitř), pro tranzistory s kanálem s polovodiče typu P jsou napětí opačná. Vše výstižně uvádí tab.1.
Tab.1 Přehled pracovních napětí FET tranzistorů (zdroj: Amaterské rádio, číslo 5, roč.1986)
Mezi hlavní výhodu těchto tranzistorů patří vysoký vstupní odpor v řádu gigaohmů. Odpor tranzistoru v sepnutém stavu nabývá hodnot v řádu miliohmů až ohmů. Napětí gate-source jednotky až desítky voltů, obdobně napětí drain-source desítky voltů. Maximální proud tranzistorem se odvíjí od typu, v řádu jednotek miliampér až po desítky ampér.
Unipolární tranzistor lze použít v zesilovačích v zapojeních se společnou bázi, emitorem, nebo kolektorem (respektive se společnou elektrodou gate, drain, nebo source). Využívá se pozitivnch vlastností, jako velký vstupní odpor (např. u měřících přístrojů), nebo možnost spínat velké proudy (koncové stupně výkonových zesilovačů). Tranzistor se v těchto režimech chová v podstatě jako el. napětím řízený odpor.
Další oblastí využití unipolarních tranzistorů je spínání. Tranzistory se chovají téměř stejně, jako kontakty mechanického spínače (minimalní odpor v sepnutém stavu, velký odpor ve stavu rozepnutém, schopnost vést proud oběma směry – kanál z polovodiče jednoho typu). Nevýhodou při rychlém spínání FET tranzistorů je parazitní kapacita hradla. Přestože přes hradlo neprotéká téměř žádný proud je potřeba pro rychlé sepnutí tranzistoru (nabití jeho parazitní kapacity) dodat náboj Q = I×t = U×C, upravou dostaneme vztah pro výpočet tohoto proudu:
I=(U×C)/t,
kde I je proud pro nabití parazitní kapacity (tento musíme dodat), C je kapacita hradla, U je spínací napětí, t je čas za který chceme tranzistor sepnout.
Na obr.2 je uveden příklad zapojení tranzistoru MOSFET s induk. kanálem jako spínače. Na obr. 2 a je uvedeno zapojení tranzistoru pro spínání nulového, nebo záporného potenciálu (na zátěži je přiveden stabilně kladný potenciál). Přivedením kladného napětí dojde k otevření tranzistoru. Rezistor R slouží pro vybití parazitní kapacity hradla a tak bezečné rozpojení tranzistoru.
Obr. 2b ukazuje nesprávné zapojení, kdy source není připojen na definovaný potenciál. Zapojení na obr. 2C připojuje k zátěži kladný potenciál. Spínací napětí na gate musí mít však vyšší úroveň než je napětí +Ucc (Ugs musí být kladné). Ovšem pozor, velmi často MOSFET tranzistor obsahuje ochranou diodu zapojenou mezi drain a source ( u typu N je na drain katoda a na source připojena anoda). V případě tranzistoru s ochranou dioudu zapojeného dle obr. 2c by byl tranzistor stále průchozí (source je kldanější než drain, dioda je v propustném směru a vede proud)!
Obr. 2 zapojení tranzistoru jako spínače
Při použití tranzistorů s vodivým kanálem typu P je situace obdobná. Společným bodem je však kladný potenciál a tranzistor je spínán záporným napětím na gate vůči source. Příklad je uveden na obr. 3. Připojíme-li gate na source je tranzistor uzavřen, při připojení na drain je otevřen
Obr. 3 MOSFET spínač s vodivým kanálem typu P
Z výše uvedeného plyne, že vždy využíváme zapojení dle obr. 2a, respektive obr.3. Tranzistorem s kanálem typu N přivádíme na zátěž nulový, nebo záporný potenciál, tranzistorem s kanálem typu P přivádíme obvykle potenciál kladný.
Pozn. Relativně novou spínací součástkou je tranzistor IGBT, který kombinuje bipolární a unipolární tranzistor. Na straně vstupu má podobné vlastnosti jako unipolární tranzistor (má izolované hradlo), na straně kolektoru a emitoru obsahuje PN přechod. Tranzistory jsou typu PNP, nebo NPN. Jejich hlavní výhodou je vysoká rychlost spínání.
text ve formatu pdf: FET.pdf (183,1 kB)