Tranzystor polowy

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (z ang. field-effect transistor) – tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Opatentowany^[1] w 1926 roku przez Juliusa Edgara Lilienfelda.

Budowa

Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S, od ang. source, odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym) i drenem (D, drain, odpowiednik kolektora). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate, odpowiednik bazy). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża.

Zasada działania

Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło.

W tranzystorach MOSFET z kanałem wzbogacanym gdy napięcie U_GS między bramką G a źródłem S jest równe zeru, rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów). Mówi się wówczas, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło I_D praktycznie nie płynie. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia U_GS kanał zaczyna się stopniowo otwierać i w obwodzie dren-źródło może płynąć prąd. Rezystancja między drenem D a źródłem S zmniejsza się ze wzrostem napięcia U_GS, ale nie do zera, tylko do pewnej minimalnej wartości oznaczanej w katalogach jako R_DSon. Wartość tej rezystancji zależy od maksymalnego napięcia U_DS jakie jest w stanie wytrzymać tranzystor i wynosi od 4 mΩ (np. tranzystor IRL1404) do 4,0 Ω. Generalnie tranzystory przeznaczone do pracy z mniejszymi napięciami mają niższą rezystancję R_DSon^[2]. Straty mocy w przewodzącym tranzystorze są proporcjonalne do prądu płynącego przez kanał zgodnie ze wzorem:

P_{str}=I^{2}\cdot R_{DSon}.

Gdy prąd płynący przez kanał osiągnie wartość maksymalną dla danego napięcia dren-źródło, mówi się, że kanał jest otwarty.

W zależności od typu półprzewodnika, w którym tworzony jest kanał, rozróżnia się:

tranzystory z kanałem typu p, w którym prąd płynie od źródła do drenu,
tranzystory z kanałem typu n, w którym prąd płynie od drenu do źródła.

Ze względu na budowę i sposób działania tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie płynie (jest rzędu mikro-, nanoamperów), dzięki temu elementy te charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową oraz dużą transkonduktancją.

Typy tranzystorów polowych

Odpowiednio do zasady działania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych: złączowe (JFET, Junction FET) oraz z izolowaną bramką (IGFET, ang. Insulated Gate FET).

Tranzystory polowe złączowe

Osobny artykuł: Tranzystor polowy złączowy.

W tranzystorach tego typu bramka jest odizolowana od obszaru kanału złączem spolaryzowanym zaporowo. Ze względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się:

tranzystory ze złączem p-n (PNFET);
tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MEtal-Semiconductor FET, MESFET).

Tranzystory polowe z izolowaną bramką

W tranzystorach tego typu bramka jest odizolowana od kanału warstwą dielektryka. Tranzystory te posiadają przynajmniej trzy elektrody: źródło (S), bramkę (G) i dren (D), często mają również czwartą elektrodę: podłoże (B). Wykonuje się je głównie w układach scalonych, rzadziej natomiast jako elementy dyskretne – są to głównie tranzystory mocy, np. pracujące jako szybkie przełączniki w zasilaczach impulsowych. W przypadku konstrukcji układów scalonych CMOS może istnieć więcej niż jedna bramka, co występuje także w niektórych elementach dyskretnych, np. tranzystorze typu BF966.

Ze względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory:

MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane z półprzewodnika monokrystalicznego; ponieważ tutaj najczęściej rolę izolatora pełni ditlenek krzemu SiO₂, toteż tranzystory te częściej nazywa się MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET) lub krócej MOS. Dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na:
- tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest otwarty;
- tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest całkowicie zatkany.
TFT (Thin Film Transistor) wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego. Ponieważ tranzystory tego typu są wytwarzane w taki sam sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe, toteż nazywane są tranzystorami cienkowarstwowymi.

Zobacz też

Przypisy

↑ patent kanadyjski. [dostęp 2015-02-05].
↑ Piotr Górecki. Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych - część 2. „Elektronika dla Wszystkich”, s. 11, marzec 1996.

[1] tent kanadyjski. [dostęp 2015-02-05].

[2] Piotr Górecki. Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych - część 2. „Elektronika dla Wszystkich”, s. 11, marzec 1996.

[1]

[2]