Rodzaje tranzystorów bipolarnych i unipolarnych

Tranzystory bipolarne oraz tranzystory unipolarne mają wiele różnych odmian. Każda z nich cechuje się innymi właściwościami, nawet jeżeli są w tych samych obudowach. Co je różni?

Tranzystory unipolarne

Zasadą działania tych tranzystorów jest przepływ nośników ładunku elektrycznego przez tzw. kanał. To niewielki obszar w strukturze półprzewodnikowej, przez który płynie prąd między dwiema elektrodami: drenem (D) i źródłem (S). Bramka (G) generuje pole elektryczne, które jest w stanie tworzyć warunki sprzyjające temu przepływowi lub wręcz odwrotnie - blokować go.

Każdy tranzystor unipolarny może mieć kanał wykonany z półprzewodnika o odmiennym sposobie przewodnictwa. Dlatego na rynku są dostępne zarówno tranzystory z kanałem typu n, jak i z kanałem typu p. W pierwszym płyną elektrony, a w tym drugim dodatnio naładowane dziury - obszary z brakującym elektronem walencyjnym.

Ich budowa (pod względem ukształtowania poszczególnych obszarów) oraz zasada działania, są takie same. Różnią się znakami napięć i kierunkami prądów. Mają też trochę inne parametry, ponieważ elektrony zachowują się w strukturze krystalicznej nieco inaczej niż dziury.

JFET

Junction Field Effect Transistor - to najprostszy typ tranzystora unipolarnego. Bramka ma powstać półprzewodnika odmiennego rodzaju, który otacza obszar kanału z każdej strony.

Ciekawą cechą tego tranzystora jest fakt, że bez polaryzacji bramki przewodzi prąd. Obszar kanału ma wtedy niewielką rezystancję, rzędu kilkunastu lub kilkudziesięciu omów, a prąd, jaki może wtedy przez niego płynąć to tzw. prąd nasycenia, oznaczany w katalogach symbolem IDSS. To największy dopuszczalny prąd drenu w tranzystorze JFET.

Polaryzując bramkę (G) względem źródła (S):

  • ujemne, dla tranzystorów z kanałem typu n
  • dodatnio w przypadku tranzystorów p-kanałowych

uzyskamy zmniejszenie prądu drenu. Wartością graniczną jest zatkanie tranzystora, kiedy prąd przestaje płynąć (ID ≈ 0) - wtedy pole elektryczne roztaczane przez bramkę jest na tyle silne, że całkowicie hamuje przepływ nośników przez kanał. Ta wartość nazywana jest napięciem progowym tranzystora i nosi oznaczenie UGSth. lub UGS(off).

Poniższy rysunek obrazuje przykładowy kształt charakterystyki przejściowej tranzystora z kanałem typu n. Ma ona, na znacznym obszarze, przebieg zbliżony do funkcji kwadratowej.

Bardzo ciekawą cechą tranzystorów JFET jest brak poboru prądu przez bramkę. W trakcie prawidłowej pracy tego elementu, jest ona stale spolaryzowana zaporowo względem obszaru kanału - dioda, jaka tworzy się na styku dwóch obszarów, pozostaje cały zatkana. Rezystancja wejściowa tego elementu jest więc niemal nieskończenie wielka.

Tranzystory JFET są elementami małej mocy. Stosuje się je w przedwzmacniaczach oraz układach dopasowania impedancji, a także mogą stanowić proste źródła prądowe. Do przepuszczania większych prądów lepiej nadaje się następny rodzaj tranzystorów.

MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - tranzystor polowy z metalową bramką, która została odizolowana od kanału warstwą tlenku (najczęściej krzemu). Te tranzystory mają dwa rodzaje wykonania:

  • z kanałem zubożanym (przepływ prądu zanika po przyłożeniu napięcia do bramki),
  • z kanałem wzbogacanym, w których prąd drenu zaczyna się pojawiać po spolaryzowaniu bramki.

Omówiony zostanie tylko ten drugi rodzaj, ponieważ jest on obecnie najpopularniejszy i ma najwięcej zastosowań. Tranzystory z kanałem zubożanym są niemal w zaniku, ponieważ podobnie do nich działają tranzystory JFET. Oba typy mogą mieć kanał n lub p.

Czwarta elektroda, czyli podłoże (B), najczęściej jest zwarta ze źródłem (S) wewnątrz obudowy tego elementu. Bez polaryzacji bramki prąd nie płynie, ponieważ między obszarami drenu i źródła znajduje się podłoże, posiadające odmienny charakter przewodnictwa. Tworzy się spolaryzowana zaporowo dioda.

Po przyłożeniu napięcia do bramki (względem źródła):

  • dodatniego u tranzystorów n-kanałowych albo
  • ujemnego, w przypadku p-kanałowych

powstaje pole elektrostatyczne w obszarze pod bramką, które przyciąga tzw. nośniki mniejszościowe z podłoża. Będą to elektrony w przypadku tranzystorów z kanałem typu n lub dziury, jeżeli mówimy o tranzystorach z kanałem typu p. Między obszarami źródła i drenu, tuż pod bramką, wytworzy się warstwa inwersyjna, która będzie miała ten sam typ przewodnictwa, co te obszary. Nastąpi przepływ prądu przez dren. Po zaniku polaryzacji bramki, kanał (warstwa inwersyjna) natychmiastowo znika.

Tranzystory MOSFET również nie pobierają prądu bramką, lecz stanowi ona znaczną pojemność. Metalowa okładka oraz dielektryczna warstwa tlenku krzemu tworzy zwykły kondensator, którego pojemność może wynosić nawet dziesiątki nanofaradów.

Dlatego zmiana ich stanu (z przewodzenia na zatkanie lub odwrotnie) wymaga każdorazowo przeładowania tych pojemności. Zbiorczo nazywa się je pojemnością wejściową tranzystora.

Mogą to być elementy zarówno małej mocy, w niewielkich obudowach, jak i potężne tranzystory, przewodzące prądy rzędu setek amperów. Producenci podzespołów półprzewodnikowych cały czas pracują nad ich rozwojem oraz udoskonalaniem parametrów.

_

Tranzystory bipolarne

W tej rodzinie występują dwa rodzaje tranzystorów: npn i pnp. Różnią się układem warstw półprzewodnikowych. Ich działanie w obu wypadkach jest takie samo - inne są kierunki prądów i napięć między wyprowadzeniami. Ich elektrody noszą nazwę emitera (E), bazy (B) i kolektora (C lub K).

Struktura tranzystora bipolarnego ma w przekroju wygląd trójwarstwowej kanapki, choć rzeczywistość jest nieco inna. Gdyby faktycznie tak wyglądała, kontakt bazy praktycznie zwierałby się z obszarami emitera i kolektora. Praktyczne realizacje tranzystorów bipolarnych mają przekrój bardziej zbliżony do tego:

W normalnym stanie, prąd między kolektorem a emiterem nie płynie. Zaczyna dopiero po spolaryzowaniu bazy względem emitera:

  • dodatnio dla tranzystorów npn,
  • ujemnie w przypadku tranzystorów pnp

Wtedy w obszarze bazy zaczyna znajdować się nieco nośników nadmiarowych, które przyciągają nośniki z obszaru emitera. Większość z nich rozpędzi się podczas drogi na tyle, że przeleci przez bazę i wleci w obszar kolektora. Jedynie niewielka część nośników zostanie wychwycona w obszarze bazy.

Co ciekawe, stosunek liczby nośników, które dotarły w obszar kolektora do liczby nośników zatrzymanych w bazie jest w przybliżeniu stała i nazywa się wzmocnieniem prądowym tranzystora. Nosi oznaczenie β, βDC lub hFE(DC) (dla prądu stałego) albo βAC lub hFE(AC) lub po prostu hFE dla prądu zmiennego.

Niestety, ten parametr cechuje się silnymi rozrzutami produkcyjnymi - poszczególne egzemplarze tranzystorów mogą się różnić między sobą nawet o kilkadziesiąt procent. Wpływ na nią ma również temperatura i napięcia polaryzujące tranzystor. Dlatego praktyczne realizacje układów wzmacniających z tranzystorami bipolarnymi są tak pomyślane, by ominąć tę przykrą dolegliwość lub chociaż ją zminimalizować. Powyższa zależność jest prawdziwa tylko w aktywnym stanie pracy tranzystora.

Mała i duża moc

Podobnie jak tranzystory MOSFET, również tranzystory bipolarne są produkowane w wersjach przeznaczonych do układów przewodzących niskie prądy (oraz wydzielające małą moc), jak i prądy nawet o bardzo wysokim natężeniu - co wiąże się z wydzielaniem w strukturze tranzystora sporej mocy. Obudowa musi ułatwiać jej chłodzenie.

_

Inne parametry

Oba omówione rodzaje tranzystorów mogą być przystosowane do pracy w różnych warunkach. Prześledźmy kilka kryteriów.

Częstotliwość

Tranzystory unipolarne i bipolarne mogą być przeznaczone do pracy na niskich częstotliwościach, jak i na wysokich. Mają wtedy różne obudowy, najczęściej standardowe. Jednak tranzystory pracujące z częstotliwościami rzędu wielu gigaherców są wykonane zupełnie inaczej - mają wyprowadzenia gotowe do wlutowania w odpowiednie linie transmisyjne na powierzchni obwodu drukowanego.

Napięcie

Typowe tranzystory mają napięcie dren-źródło lub kolektor-emiter na poziomie dziesiątek woltów. Jednak istnieją tranzystory w wykonania tzw. wysokonapięciowych, gdzie te wartości mogą przekraczać nawet 1000V. Zazwyczaj są to elementy średniej i wysokiej mocy, w obudowach przystosowanych do odprowadzania ciepła

Tranzystory IGBT

W tym zestawieniu nie mogło zabraknąć tranzystorów, które nie są ani unipolarne, ani bipolarne. IGBT to skrót od Insulated Gate Bipolar Transistor, czyli tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Ma więc w sobie coś z tranzystora MOSFET, jak i z bipolarnego.

Również jego symbol jest kombinacją oznaczeń obu tych elementów. Można go rozumieć jako połączenie obu tych elementów ze sobą, choć w rzeczywistości jest to jedna, zwarta struktura krzemowa.

Jakie mają zalety?

Gdyby nie miały zalet, nikt by ich nie produkował. A mają ich wiele.

Wysokonapięciowe tranzystory MOSFET mają wysoką rezystancję otwartego kanału, czyli między ich drenem a źródłem w stanie całkowitego otwarcia. Może to być nawet 1Ω lub wartość zbliżona - zaś wydzielana moc, zgodnie z prawem Ohma, jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu. Oznacza to, że 10A przepływające przez taki element spowoduje wydzielenie aż 100W mocy. 20A da aż 400W, mały grzejnik! A to niewielkie prądy jak na energoelektronikę.

Z kolei, tranzystory bipolarne po pełnym otwarciu (nasyceniu) charakteryzują się stałym napięciem kolektor-emiter. Wynosi ono, w zależności od tranzystora i natężenia prądu, od około 0,2V do 0,5V, dla bardzo wysokich prądów nieco więcej. Moc wydzielana na nich rośnie więc liniowo ze wzrostem prądu: 10A da 5W (dla napięcia nasycenia 0,5V), a 20A zaledwie 10W. Taką moc łatwo jest rozproszyć.

Wadą tranzystora bipolarnego wysokiej mocy, jest mały współczynnik wzmocnienia prądowego, który może wynosić zaledwie… kilka lub kilkanaście. Do ich sterowania potrzebny jest układ, który zapewni bazie dostatecznie wysokie natężenie prądu. Zaś tranzystory MOSFET w ogóle nie pobierają prądu, więc ich sterowanie można uznać za znacznie przyjemniejsze.

IGBT stanowi połączenie zalet obu tych tranzystorów: stałe napięcie nasycenia, które gwarantuje małe straty mocy oraz przyjemne sterowanie. Występują jako elementy w “normalnych” obudowach z trzema nóżkami, jak i potężne moduły, mogące przewodzić setki amperów.

Podsumowanie

Podział tranzystorów na unipolarne i bipolarne różnicuje je ze względu na zasadę działania i budowę. Wśród nich występują pewne warianty, jak JFET i MOSFET w przypadku elementów unipolarnych. Jeszcze czym innym są tranzystory IGBT, które stanowią “skrzyżowanie” obu tych konstrukcji.