---

---

3.3 Princip funkce bipolĂĄrnĂ­ho a unipolĂĄrnĂ­ho tranzistoru

3.3.1 Princip funkce bipolĂĄrnĂ­ho tranzistoru

Na obrĂĄzku 3.26.

obr. 3.26

vidíme velmi zjednodušeně základní strukturu bipolárního tranzistoru. Bipolární tranzistor nazýváme tak proto, že se v jeho funkci účastní nosiče náboje obou polarit. Bipolární tranzistor se skládá ze dvou přechodů PN, které jsou odděleny je velmi tenkou vrstvou polovodiče. Podle toho, zda střední vrstva je typu P nebo typu N rozeznáváme bipolární tranzistory typu NPN nebo PNP. Co to znamená ”velmi tenká” vrstva polovodiče? Měřítkem je tzv. difuzní délka nosičů. Vstřikujeme-li např. elektrony do polovodiče typu P, vytvoříme v polovodiči typu P v blízkosti přechodu vysokou koncentraci elektronů, která bude exponenciálně ubývat v důsledku rekombinace se vzrůstající vzdáleností od přechodu a vytvářet tak gradient koncentrace, který je příčinou difuze elektronů do polovodiče typu P. Vzdálenosti, na které koncentrace ubyde na 1/e násobek původní hodnoty (zde e je základ přirozených logaritmů, e=2.7182818...), říkáme difuzní délka a je jednou z charakteristik polovodiče. Bude-li šířka střední vrstvy polovodiče malá ve srovnání s difuzní délkou, jen malá část nosičů difundujících touto částí bude rekombinovat.

Základní zapojení bipolárního tranzistoru je rovněž znázorněno na obrázku 3.26. Spočívá v tom, že jeden přechod PN je pólován v propustném směru vůči střední části a zbývající vůči téže části v závěrném směru. Vnější elektrodu tranzistoru přiléhající k přechodu pólovanému v propustném směru nazýváme emitorem (nebo emiterem), střední část bází a zbývající elektrodu kolektorem. Na obrázku 3.26. je tranzistor nakreslen zcela symetrický, takže pojmenování elektrod je odvozeno výlučně od polarity napájecích zdrojů; v praxi bývá plocha kolektoru podstatně větší, než plocha emitoru, dotace emitoru příměsemi bývá vyšší a dotace kolektoru nižší. Důvody pro to si vysvětlíme v průběhu výkladu funkce tranzistoru.

Díky pólování přechodu emitor-báze v propustném směru dochází injekci majoritních nosičů z emitoru do báze. Abychom nemuseli vždy opisovat oba případy (PNP i NPN), vybereme si k výkladu typ NPN. Elektrony jako majoritní nosiče v emitoru jsou tedy injekovány do báze a v blízkosti přechodu emitor-báze se tedy v bázi vytváří zvýšená koncentrace elektronů. Vzniká tedy gradient koncentrace elektronů v bázi tak, že směrem ke kolektorovému přechodu elektronů v bázi ubývá. Gradient koncentrace elektronů v bázi je důvodem pro difuzi elektronů skrz bázi směrem klesajícího gradientu, tedy směrem ke kolektorovému přechodu. Cestou skrz bázi řada elektronů zrekombinuje, neboť majoritními nosiči v bázi jsou díry a tedy pravděpodobnost rekombinace je vysoká, avšak vzhledem k tomu, že tloušťka báze je malá ve srovnání s difuzní délkou, velké procento elektronů se dostane do bezprostřední blízkosti přechodu báze-kolektor. Tento přechod je pólován v závěrném směru, ale pro majoritní nosiče v bázi, tedy díry. Elektrony, které prodifundovaly bází ke kolektorovému přechodu ”vidí” naopak potenciálový skok v urychlujícím směru a tak všechny elektrony, které se dostaly do blízkosti kolektorového přechodu (do oblasti dané šířkou přechodu báze-kolektor), budou tímto potenciálovým skokem vtaženy do kolektoru. Teče-li bází elektronový proud, je nutné do báze dodávat díry na rekombinaci těch elektronů, které v bázi rekombinují; tento děrový proud tedy tvoří proud báze. Vzhledem k tomu, že v bázi zrekombinuje jen malé procento z celkového proudu elektronů, je bázový proud malý ve srovnání s proudem, který teče cestou emitor-báze-kolektor. Kromě složky kolektorového proudu tvořené elektrony, které prošly bází od emitoru existuje ještě jedna složka a to závěrný proud kolektorové diody, tvořený minoritními nosiči v bázi a v kolektoru. Pro kolektorový proud můžeme tedy napsat rovnici, kterou nazýváme základní rovnicí tranzistoru

I_k=I_k0+aI_e,

kde I_k je celkový proud kolektoru, I_k0 zbytkový proud diody báze-kolektor, a proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází a I_e emitorový proud. Kromě této rovnice musí proudy I_k, I_b a I_e splňovat 1. Kirchhoffův zákon, tedy

I_e=I_b+I_k,

kde I_b je proud bází. Zdálo by se, že proud I_k0 bychom mohli zanedbat vzhledem ke složce od emitoru, ale nejde to, neboť jednak I_e může být rovno nule a pak I_k0 tvoří jedinou složku kolektorového proudu, jednak při překročení maximálního závěrného napětí diody kolektor-báze dojde k průrazu kolektorové diody (nemusí být nutně destruktivní) a ”zbytkový” proud I_k0 pak bude tvořit převažující složku kolektorového proudu. Koeficient proudového zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází, a, je paradoxně menší než jedna, ale z popisu principu funkce již víte, proč tomu tak je a navíc budeme ještě definovat koeficient proudového zesílení v zapojení se společným emitorem, b, a ten už větší než jedna bude. Koeficient a má standardně hodnoty okolo 0.99 u běžných ”dobrých” křemíkových tranzistorů, ale může dosáhnout i hodnoty okolo 0.999. Podle čeho rozeznáváme zapojení se společným emitorem, kolektorem a bází? Podle toho, která elektroda je společná ”budicímu” a výstupnímu obvodu; na obrázku 3.26. je to báze. Uveďme si nyní schematické značky tranzistoru podle obrázku 3.27.

obr. 3.27

Typy PNP (vpravo) a NPN (vlevo) se rozlišují směrem šipky u emitoru. Mnohdy konstruktéři nekreslí kroužek znázorňující schematicky pouzdro tranzistoru, tak se tím nenechte zmást; na funkci bipolárního tranzistoru se tím nic nemění.
Podívejme se nyní na zapojení se společným emitorem, je na obrázku 3.28. Na tomto obrázku je zakreslen jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem.

obr. 3.28

Budicím obvodem je, obdobně jako v případě zapojení se společnou bází, obvod báze-emitor, výstupním obvodem je ale obvod kolektor-báze-emitor. Budicím proudem je proud do báze, I_b, výstupním proudem proud kolektoru, I_k. Po relativně snadné transformaci soustavy dvou rovnic uvedených v předchozím odstavci (základní rovnice tranzistoru a Kirchhoffův zákon), vyjde nám analogie základní rovnice tranzistoru pro zapojení se společným emitorem:

I_k = (a/(1-a))I_b + (1/(1-a))I_k0 = bI_b + I_k0’

a Kirchhoffův zákon platí ve stejné podobě jako pro zapojení se společnou bází,

I_e= I_b+I_k.

Zde jsme označili

b = a/(1-a)

a     I_k0’ = I_k0 / (1-a) = (b+1)I_k0.

Koeficient b nazýváme proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společným emitorem a I_k0’ zbytkovým proudem tranzistoru v zapojení se společným emitorem. V katalogu je obvykle uváděn koeficient b a I_k0; důvody pro to jsou spíše obchodní než fyzikální. V katalogu se rovněž můžete setkat s označením h_21b místo a a h_21e místo b, souvisí to s náhradním zapojením tranzistoru, tzv. hybridním náhradním zapojením, ale tím se v tomto učebním textu nebudeme zabývat. Vidíme tedy, že zapojením tranzistoru se společným emitorem jsme získali velký koeficient proudového zesílení

b=a/(1-a),

ale zároveň jsme obdrželi podstatně větší zbytkový proud kolektoru,

I_k0’=(b+1)I_k0.

Ukažme si ještě jednu ”nectnost” zapojení se společným emitorem a tou je nižší tzv. mezní frekvence tranzistoru. K pojmu mezní frekvence nebo mezního kmitočtu tranzistoru dospějeme nejprve pro zapojení se společnou bází podle obrázku 3.29.,

obr. 3.29

na kterém jsme si nahradili emitorový přechod tranzistoru paralelní kombinací odporu R_e a kapacity C_e. Při diskusi o diodách s přechodem PN jsme si již ukázali, že kapacita přechodu je jeho inherentní vlastnost a není tedy možné vyrobit PN přechod s kapacitou rovnou nule. Proud I_e tekoucí do této kombinace zleva nám představuje proud, kterým v zapojení se společnou bází budíme tranzistor. Pouze složka I_er, která prochází rezistorem, představujícím činnou složku impedance emitorového přechodu bude tranzistorem zesílena, složka I_ec, která prochází větví s kapacitou, zesílena nebude. Vyjádřeme si poměr I_er/I_e; ten nám bude představovat závislost koeficientu proudového zesílení v zapojení se společnou bází, a, na kmitočtu. Jest totiž, jak jsme konstatovali, koeficient a dán poměrem změny kolektorového proudu, dI_k ke změně emitorového proudu, dI_e, tj.

a = dI_k / dI_e = (dI_k / dI_er).(dI_er / dI_e).

Snadnou manipulacĂ­ dojdeme ke vztahu, Ĺže

I_er/I_e=(1+jw/w₀)^-1,

kde jsme označili w₀=R_eC_e. Poměr I_er/I_e je nezĂĄvislĂ˝ na I_e a je tedy

I_er/I_e=dI_er/dI_e.

Kmitočtu w₀=2pf₀ říkĂĄme meznĂ­ kmitočet tranzistoru v zapojenĂ­ se společnou bĂĄzĂ­. MĹŻĹžeme tedy pro zapojenĂ­ se společnou bĂĄzĂ­ napsat pro frekvenčnĂ­ zĂĄvislost koeficientu proudovĂŠho zesĂ­lenĂ­ a=a₀/(1+jw/w₀), kde jsme označili symbolem a₀ koeficient proudovĂŠho zesĂ­lenĂ­ tranzistoru se společnou bĂĄzĂ­ pro frekvenci w=0. VĂ˝raz pro frekvenčnĂ­ zĂĄvislost a připomĂ­nĂĄ vĂ˝raz pro napěťovĂ˝ přenos integračnĂ­ho filtru RC. Připomeňme si prĹŻběh amplitudy a fĂĄze tohoto vĂ˝razu. AbsolutnĂ­ hodnotu neboli amplitudu komplexnĂ­ho čísla dostaneme podle Pythagorovy věty jako odmocninu ze součtu kvadrĂĄtĹŻ reĂĄlnĂŠ a imaginĂĄrnĂ­ sloĹžky. SnadnĂ˝mi Ăşpravami dospějeme k vĂ˝razu

a =a₀(1+(w/w₀)²)^-1/2,     tgj =-w/w₀,

kde jsme si symbolem j označili fĂĄzi. Pro nĂ­zkĂŠ kmitočty je aÂť a₀ a fĂĄze j Âť 0 (radiĂĄnĹŻ). Pro w=w₀ je a = a₀/2 a j=p /4. Pro vysokĂŠ kmitočty klesĂĄ a jako

a  a₀w₀ / w    a    fĂĄze jÂŽ -p/2.

O a říkáme, že klesá se sklonem 20 dB na dekádu, nebo, což je totéž, se sklonem 6 dB na oktávu. Připomenu ještě decibel, dB. Bezrozměrné číslo A, vyjadřující např. zesílení zesilovače, poměr dvou napětí, útlum apod., vyjádříme v decibelech jako

A [dB]= 20log₁₀A.

Je-li tedy A=10, je to v decibelech 20, je-li A=100, je to v decibelech 40, je-li A=2, je to v decibelech (zhruba) 6. Frekvenční závislosti veličin znázorňujeme nejčastěji v grafu log-log a reálné křivky nahrazujeme jejich tečnami; zvýrazní se tak význam bodů ”zlomu” frekvenčních závislostí, neboť se dá ukázat, že tečny v měřítku log-log se právě protínají v bodech, jejichž souřadnice na ose w je dána právě převrácenou hodnotou odpovídající časové konstanty RC. Těmto grafům říkáme Bodeho diagramy (anglicky Bode plot) a Bodeho diagram pro náš případ frekvenční závislosti a je uveden na obrázku 3.30.

obr. 3.30

Vyjádřeme si nyní frekvenční závislost b použitím odvozené závislosti pro a a vztahu

b=a / (1-a).

Po nepříliš složité úpravě výrazu dojdeme ke vztahu

b=b₀/(1+jw /w₀’), kde b₀=a₀/(1-a₀) a w₀’=(1-a₀)w₀.

Frekvenci w₀’ říkĂĄme meznĂ­ kmitočet tranzistoru v zapojenĂ­ se společnĂ˝m emitorem. Zde vidĂ­me, Ĺže meznĂ­ kmitočet tranzistoru je v zapojenĂ­ se společnĂ˝m emitorem značně niŞťí, neĹž v zapojenĂ­ se společnou bĂĄzĂ­. Například pro a₀=0.99 je w₀’ jen 1% z w₀.

3.3.2 Princip funkce unipolĂĄrnĂ­ho 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 aktivnĂ­ho prvku v pevnĂŠ fĂĄzi s vysokĂ˝m vstupnĂ­m odporem vedla k objevu a konstrukci tzv. tranzistorĹŻ řízenĂ˝ch polem, jinak nazĂ˝vanĂ˝ch FET (z anglickĂŠho field effect transistor). Jsou to tranzistory, jejichĹž fyzikĂĄlnĂ­ princip funkce je odliĹĄnĂ˝ od principu, na kterĂŠm pracujĂ­ bipolĂĄrnĂ­ tranzistory. ŘídicĂ­ elektrodou tranzistorĹŻ typu FET teče buď jen velmi malĂ˝ proud ekvivalentnĂ­ proudu diody v zĂĄvěrnĂŠm směru, nebo je tato řídicĂ­ elektroda izolovanĂĄ od řízenĂŠho obvodu vrstvičkou SiO₂, takĹže jĂ­ neteče prakticky ŞådnĂ˝ 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 U_GS 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 U_DS. 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 U_DS 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 U_GS, zmenšíme dále tento průřez a lze si snadno představit situaci, kdy napětí U_GS 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 dI_DS/dU_GS při konstantním napětí U_DS (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 krĂĄtkou dobu nĂĄsledovĂĄn objevem tranzistoru typu MOSFET. U tohoto tranzistoru je hradlo izolovĂĄno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO₂ a tak stejnosměrnĂ˝ vstupnĂ­ odpor tohoto prvku je teoreticky nekonečnĂ˝, v praxi je řádu 10¹¹-10¹² W.

TypickĂĄ struktura MOSFETu je ukĂĄzĂĄna na obrĂĄzku 3.32.

obr. 3.32

Do substrĂĄtu o vodivosti P jsou nadifundovĂĄny dvě oblasti typu N a tyto oblasti slouŞí jako elektrody S a D. ŘídicĂ­ elektroda je mezi těmito oblastmi a je izolovĂĄna tenkou vrsvou SiO₂. PřiloŞíme-li nynĂ­ na řídicĂ­ elektrodu dostatečně vysokĂŠ kladnĂŠ napětĂ­ (avĹĄak nikoliv tak vysokĂŠ, abychom izolačnĂ­ vrsvičku prorazili), vytvoří se na povrchu polovodiče typu P v blĂ­zkosti hradla tzv. inverznĂ­ vrstva, tj. vrstva o opačnĂŠ vodivosti, tedy o vodivosti N a tato inverznĂ­ vrstva propojĂ­ oblasti typu N (tedy elektrody S a D) a proud mezi těmito elektrodami mĹŻĹže prochĂĄzet. Průřez kanĂĄlu mezi elektrodami S a D, tvořenĂŠho touto inverznĂ­ vrstvou, je zĂĄvislĂ˝ na velikosti rozdĂ­lu mezi napětĂ­m, přiloĹženĂ˝m na hradlo tranzistoru a napětĂ­m ve vzdĂĄlenosti x od elektrody S tranzistoru, podobně jako tomu bylo u tranzistoru JFET. Zde je ale napětĂ­ na hradle a napětĂ­ na elektrodě D tranzistoru stejnĂŠ polarity, coĹž mĂĄ za nĂĄsledek, Ĺže průřez kanĂĄlu klesĂĄ se vzdĂĄlenostĂ­ x. V blĂ­zkosti elektrody D se mĹŻĹže stĂĄt, pro určitou velikost napětĂ­ U_GS a napětĂ­ U_DS, Ĺže inverznĂ­ vrstva zmizĂ­ a omezĂ­ tak proud mezi elektrodami S a D. To se projevĂ­ na vĂ˝stupnĂ­ charakteristice tranzistoru (zĂĄvislost proudu I_DS na napětĂ­ U_DS pro konstantnĂ­ U_GS) saturacĂ­ proudu od určitĂŠ hodnoty U_DS.

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 I_DS, 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 I_DS 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 U_GS). 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 U_GS 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 U_GS, 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 U_GS; tato ochrana je však rozměrná, vhodná jen pro vyšší napětí U_GS 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

---

---