3 a főoldal

Ismertesse a bipoláris és térvezérelt tranzisztorok felépítését és működését!

Rajzolja le a jellemzőit, karakterisztikáját, értelmezze a felhasználás szempontjából, fontosabb paramétereket és helyettesítő képeket!

A tranzisztor olyan félvezető eszköz, mely erősítésre és egyéb feladatokra (jelgenerátor, kapcsoló, stabilizátor, stb.) alkalmas.

Fajtái:

- Bipoláris (kettő p-n átmenet van benne).

- Unipoláris (egy p-n átmenet van benne).

A két fajta tranzisztor (bipoláris, unipoláris) összehasonlítása: a bipoláris nagyobb meredekséggel és erősítéssel rendelkezik, míg az unipolárisnak nagyobb a bemeneti ellenállása (R_be) és feszültséggel vezérelhető.

Bipoláris tranzisztor: egy három kivezetéssel rendelkező félvezető (E-emitter, C-collektor, B-bázis). Egy alapkristályon három különböző szennyezett tartományt hoznak létre. Így két fajtát lehet elkülöníteni, a P-N-P és az N-P-N tranzisztorokat.

Elvi felépítése a P-N-P (első) és az N-P-N (második) tranzisztoroknak:

Jelképi jelölése a P-N-P (első) és az N-P-N (második) tranzisztoroknak:

Gyártanak szilícium alapút, amely szinte az összes tranzisztor, de germániumból is gyártanak, de a kedvezőtlen tulajdonságai miatt csak különleges tranzisztorok ezek.

A tranzisztor szerkezetében lévő két p-n átmenet külső feszültség alkalmazása nélkül megakadályozza a rétegek között a töltéshordozók áramlását. Normál (aktív) üzemmódban a bázis emitter dióda nyitóirányban, a bázis collektor dióda záró irányban kell üzemelnie.

Feszültség viszonyok a tranzisztor lábai között:

Működése: A nyitó irányban előfeszített bázis emitter dióda végett az emitterből lyukak vándorolnak (áramolnak) a bázisba. A bázis réteg vékonysága és gyenge szennyezettsége miatt a lyukak csak kis mértékben rekombinálódnak, többségben az n-típusú kissebségi töltéshordozók számát növeli. A collektor bázis dióda záró irányú előfeszítése miatt ezek a kissebségi töltéshordozók áramlanak a collektorba és létre hozzák a collektor áramot.

A bemeneti karakterisztika az emitteráram (I_E) és a bázis emitter feszültség (U_BE) kapcsolatát mutatja, állandó (U_BE) mellet.

A kimeneti tényezők a collektor áram (I_C) és a collektor bázis feszültség (U_CB), a kimeneti jelleggörbék közötti összefüggést fejezik ki különböző emitteráramoknál.

Katalógus adata a h paraméterek.

Unipoláris tranzisztor: más néven: FET. Olyan tranzisztorok, amelyeknek áramát csak egyfajta töltéshordozó biztosítja. Egyetlen p-n átmenetből állnak, vezérlésükhöz csak feszültség szükséges, igen nagy bemeneti ellenállással rendelkezik.

Működési elvük: egy félvezető csatorna vezetőképességét külső vezérlő feszültséggel változtatjuk.

Két fajtája van: - Záró réteges (JFET - Junction).

- Szigetelt vezérlő elektródás (MOSFET).

A FET felépítése és működési elve: A tranzisztor egy p-típusú, vagy n-típusú lemez, amelynek két vége kivezetéssel rendelkezik (S – source: forrás; D – drain: nyelő). A lemez két oldalára szimmetrikusan erős n-típusú, vagy p-típusú szennyezést juttatnak be. Ezek a szennyezett részek szintén kivezetéssel rendelkeznek, melyeket összekötnek (G – gate: kapu).

A kétféle réteg érintkezésével p-n átmenetek jönnek létre. Az átmenetek között viszonylag kis ellenállású szűk áramvezető csatorna marad. A kiürített rétegek gyakorlatilag a gyenge szennyezésű n-rétegben (vagy p-rétegben), tehát a csatornában alakulnak ki. Ha az átmenetekre záró irányú feszültséget adunk, akkor a kiürített rétegek szélesebbé válnak, az áramvezető csatorna beszűkül, ellenállása növekszik. Ha a S és D elektródák közé feszültséget kapcsolunk, akkor drain-source feszültség (U_GS) záró feszültséggel változtatni tudjuk a drain áramot (I_D), vagyis az I_D az U_GS-sel vezérelhető.

A vezérlés (mivel a lezárt átmeneten csupán az igen kis {nA} nagyságrendű záróáram folyik), gyakorlatilag teljesítmény nélkül, feszültséggel (villamos térrel) végezhető. A drain-source körben ellenállást elhelyezve a vezérelt áram feszültség változást is létrehoz, amellyel a feszültség erősítés lehetősége is adott.

A FET-nek e szempontból is két fajtája van, ahogy a működési elvben olvashattuk: - p-csatornás (az alap lemez p-szennyezettségű).

- n-csatornás (az alap lemez n-szennyezettségű).

U_GS és I_D karakterisztika a drain-source feszültség (U_DS) értékének változtatásával (kimeneti karakterisztikája a földelt source alapkapcsolásban).

Az U_GS=0-hoz tartozó karakterisztika görbét határozzuk meg, ha U_GS=0, akkor a csatorna teljesen nyitott, ellenállása kicsi (10…100Ω).

Az áram a karakterisztika kezdeti szakaszán az ellenállásnak megfelelő meredekségű egyenes szerint nő (I. tartomány). Ennél nagyobb drain feszültségnél (U_D) az áram növekedési meredeksége csökkenni kezd, mert a pozitív U_DS az átmenet számára egyúttal záró feszültséget is jelent (II. tartomány). Az átmenet drain felöli oldalán a kiürített réteg megvastagodik. További U_DS növelése egyre jobban beszűkíti az áramvezető csatornát. Egy bizonyos U_DS értéknél bekövetkezik a csatorna drain oldali elzáródása, a kiürített rétegek összeérnek. Az áram ezen U_DS felett közel állandó.

Nem csökken 0-ra, mert a pozitív U_DS növeli a töltéshordozók mozgásenergiáját, amellyel átjuthatnak a kiürített réteg ionjainak fékező potenciál terén. Az U_D hatása tehát kettős: egyrészt fékező hatású a záró átmeneten keresztül, másrészt gyorsítja a csatorna töltéshordozóit. A két hatás közelítőleg kiegyenlíti egymást az I_D értékben.

Az a feszültség, amelynél a csatorna elzáródása létrejön, a FET elsődleges jellemzője (elzáródási feszültség). Ha ekkora záró feszültséget adunk a vezérlő elektródára, akkor a csatorna teljes szélességében bekövetkezik az elzáródás, és ekkor I_D=0. Az elzáródási feszültséget ilyen módon az eszközt lezáró (U_GS=U_Z0) feszültségként értelmezzük.

Ha ezután negatív gate feszültséget (U_G) adunk, ettől a csatorna teljes szélességében beszűkülés következik. A csatorna ellenállása megnő, azonos U_D-nél kisebb I_D folyik, mint U_GS=0V-nál. Az U_D-t növelve most a beállított U_GS-sel kisebb U_D-nél már bekövetkezik a csatorna elzáródása, az átmenet záró feszültségét ugyanis mindenkor U_GS-U_DS határozza meg. Ha pl. ahogy a karakterisztikán látszik U_Z0=-6V, azaz U_GS=0V mellett U_DS=6V-nál jön létre azt elzáródás, akkor U_GS=-2V-nál már U_DS=4V-tól a közel vízszintes szakaszba megy át a jelleggörbe. Növekvő záró U_DS hatására a jelleggörbék eltolódnak, a kisebb áramok irányába és az elzáródás egyre kisebb U_DS-től jön létre. Az U_GS az elzáródási feszültség értékéig növelhető, az I_D itt válik 0-vá. A kimeneti karakterisztikából U_DS= állandó függőlegesekkel metszetet készítve a metszéspontok alapján megrajzolható a JFET vezérlési karakterisztikája: I_D változása a vezérlő U_G függvényében. A jelleggörbe alakja parabola. Az áram négyzetes kapcsolat szerint függ a vezérlő feszültségtől:

Az I_DSS: az U_GS=0V-hoz tartozó maximális I_D (ezt katalógusban is adatszerűen közlik az elzáródás tartományára vonatkozóan, a második _S index (short) a gate source elektródok rövidre zárását jelzik).

További katalógus adatai a FET-eknek:

- U_Z0 (elzáródási feszültség).

- S (meredekség).

- R_DS (kimeneti ellenállás).

- Névleges áramai.

- Névleges feszültségei.

- Határ áram.

- Határ feszültség.

- Y paraméterek.

- P_max (maximális teljesítmény).

- Hőmérsékleti tényezők.

- Frekvencia tartomány.

- f_T (frekvenciatorzítás).