Princip funkce unipolárního tranzistoru JFET
Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevu
a konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effect
transistor). Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, na
kterém pracují bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen
velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda
izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takže jí neteče prakticky žádný proud
(představuje ss odpor o velikosti cca 1012
 ).
Historicky první vznikly tranzistory s izolovanou řídicí elektrodou (hradlem) a závěrně
pólovaným přechodem PN, tzv. tranzistory JFET (junction FET). Princip funkce tohoto
tranzistoru je naznačen na Obr.1.
Obr. 1: Princip funkce unipolárního tranzistoru JFET
Základem je polovodičová destička s nevlastní vodivostí typu N opatřená na obou
koncích neusměrňujícími přívodními kovovými kontakty a mají, ve srovnání s bipolárním
tranzistorem, význam emitoru a kolektoru . Do horní i dolní stěny základní destičky je
vytvořena difúzí silně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti (P+) nazvaná hradlo (Ggate).
Obě části hradla jsou spolu vodivě spojeny. Hradlo tvoří řídící elektrodu tranzistoru.
Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál.
Jsou-li hradlo G i drain D spojeny s elektrodou source S (UDS =UGS = 0) vytvoří se
v okolí hradla vyprázdněná oblast A, která se nesymetricky rozšiřuje do oblasti N s nízkou
dotací. Tloušťku vyprázdněné oblasti je možno měnit napětím přiloženém k přechodu.
Přiložíme-li tedy mezi hradlo a source napětí UGS tak, aby přechod byl polarizován ve
zpětném směru, můžeme obě vyprázdněné oblasti rozšířit, čímž zúžíme vodivou část kanálu a
zvětšíme jeho odpor. Přitom přívodem hradla neprochází téměř žádný proud (řádově pA).
Při nulovém nebo velmi malém napětí UDS je vyprázdněná část kolem části hradla
rovnoměrná a proud při vzrůstu UDS se zvyšuje lineárně. Při dalším zvyšování napětí UDS
začíná kladné napětí připojené v místě drainu na kanál vodivosti typu N působit jako předpětí
HRADLO- KANÁL ve zpětném směru a tím rozšiřovat vyprázdněnou oblast. Toto rozšíření
1 VA-charakteristiky tranzistorů JFET a
MOSFET
Úloha č. 7
Úkol: 1. Změřte VA charakteristiky unipolárního tranzistoru (JFET - BF245) v zapojení se
společnou elektrodou S
2. JFET v zapojení se společnou elektrodou S jako zdroj proudu řízený napětím
3. Určete pro dané zapojení admitanční parametry
je největší v blízkosti drainu, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťového
úbytku působeného proudem ID ve směru od D k S zmenšuje. Výsledkem je nerovnoměrné
rozložení vyprázdněné oblasti podél hradla.
Při maximálním zúžení kanálu však stále prochází nasycený proud ID v důsledku
velkého rozdílu potenciálů mezi S a D a v důsledku průchodu nosičů podél siločar
elektrického pole přechodu PN - nasycená oblast (saturace). Z tohoto popisu vycházejí
následující VA charakteristiky JFETu (Obr.2).
Obr. 2: VA-charakterisky JFETu
Podobně jako u bipolárních tranzistorů používáme ke stanovení parametrů zesilovače
malého signálu s tranzistorem JFET náhradního lineárního obvodu (NLO). K popisu je
vhodné použít admitančních rovnic dvojbranu, jelikož soustava rovnic se zjednoduší pouze na
jednu rovnici vzhledem k prakticky nulovému proudu hradla IG. Soustava koeficientů se tak
ze stavu nakrátko a naprázdno zjednoduší pouze na dva - y21S a y22S ( pro zapojení se
společnou elektrodou S).
1.1.1 Admitanční rovnice náhradního lineárního obvodu
Obr. 3: Náhradní lineární obvod
Potom:
.konstUGS
D
S21
DS
U
I
y










.konstUDS
D
S22
GS
U
I
y










uDS
y21uG
S
uDSuGS
iDiG =
0
1/y
22
uGS
iD
+
-
G
D
S
iG
G
1.1.1.1.1.1 S 1.1.1.1.1.2 S
1.1.1.1.1.3 D
pro unipolární tranzistor
iG = y11suGS + y12suDS
iD = y21suGS + y22suDS
pro obecný dvojbran
i1 = y11u1 + y12u2
i2 = y21u1 + y22u2
Definuje přenosovou admitanci v přímém směru při výstupu
nakrátko, která se číselně rovná hodnotě změny výstupního
proudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí.
Označuje se jako strmost – rozměr S , mA/V
Definuje přenosovou vodivost nakrátko a je rovna hodnotě
změny výstupního proudu při jednotkové změně výstupního
napětí a vstupu nakrátko – rozměr S .
UGS
[V]
0
-2
-4
-10
UDS[V]
ID
[mA]
UGS[V] -10
UDsat
hranice saturace
V porovnání s bipolárními tranzistory mají unipolární tranzistory větší
impedance,vyžadují menší řídící příkon,ale mají rovněž menší výstupní výkon.Pro aplikace
např. v logických obvodech je tato okolnost výhodná. V planárním provedení zaujímá JFET
asi pět krát menší plochu než bipolární tranzistor a je tedy vhodný pro velkou integraci.
Strmost JFETů je menší než u bipolárních tranzistorů,což se projevuje nepříznivě při velmi
rychlém zpracování informací (daná kapacita se nabíjí pomaleji), kde mají bipolární
tranzistory lepší parametry.Neobyčejně velká vstupní impedance JFETů umožňuje speciální
aplikace a relativně malá teplotní závislost umožňuje pracovat i při velmi nízkých teplotách.
Šum JFETů je u středních frekvencí menší než šum bipolárních tranzistorů.
Princip funkce unipolárního tranzistoru MOSFET indukovaným
kanálem
Tranzistor je tvořen základní destičkou polovodiče jednoho typu (například P) s nízkou
koncentrací příměsí, do které jsou vytvořeny dvě elektrody druhého typu (N+), tvořené
velkou koncentrací příměsí. S a D, takže nejsou propojeny. Na destičce je oxidací vytvořena
nevodivá vrstva, na níž je napařena hliníková vodivá elektroda G. Protože je řídící elektroda
izolována, vstupní odpor tranzistoru je obrovský (1013
-1017
Ω).
Důležité je že izolační vrstva pod řídící elektrodou je velmi tenká a prorazí ji napětí už
od několika desítek voltů, takže při práci s těmito tranzistory je zapotřebí zabránit vzniku
statické elektřiny. Tranzistory se dodávají se zkratovanými vývody a pracuje se na vodivé
uzemněné podložce.
Obr. 4: Struktura MOSFET
Obr. 5: Princip funkce unipolárního tranzistoru MOSFET
Princip tranzistoru s indukovaným N kanálem. Ostatní typy tranzistoru fungují
analogicky. Napětím mezi Gate a Source ovlivňujeme vodivost tzv. kanálu mezi
elektrodami Source a Drain, tedy "otevíráme/zavíráme" tranzistor. Pokud mezi Gate a
Source není přivedeno žádné napětí kvůli závěrné polarizaci jednoho z přechodů D-B
nebo B-S mezi Sourcem a Drainem nemůže protékat žádný proud (tedy téměř žádný, ve
skutečnosti cca jednotky nA).
Odporová oblast
Pro malá napětí UDS (cca do 1V) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. Toho si
můžete všimnout na výstupní VA charakteristice. V blízkosti počátku souřadného
systému (v blízkosti nuly) jsou pro všechna UGS křivky téměř lineární (rovné). A
přímka ve VA charakteristice odpovídá právě rezistoru. Její sklon (a tedy i odpor kanálu
mezi elektrodami S a D) je řízen právě napětím UGS. Přivedením napětí mezi elektrody
G a Su (Su je vodivě spojen s S) se vlivem elektrického pole začnou přitahovat
elektrony ze substrátu typu P směrem k elektrodě Gate. Díry se přesunou směrem
opačným. Zjednodušeně řečeno se tím oblast substrátu pod Gate přemení z typu
polovodiče P na typ N (inverzní oblast). Což vytvoří vodivý kanál mezi elektrodami
Source a Drain. Napětí UGS, při kterém se vytvoří kanál se nazývá prahové a značí se
UT (obvykle 1 až 3V). Toto platí pro MOSFET s indukovaným N kanálem. Pro větší
napětí UDS (cca od 1V do 3V) tyto úsečky přecházejí v křivky. K tomu dochází proto, že
kanál není ovlivňován už jen elektrickým polem způsobeným napětí UGS, ale i polem
způsobeným napětím UDS. Vodivý kanál se tedy začne rozšiřovat v oblasti u elektrody
Source a naopak zužovat v oblasti u elektrody Drain. Tomuto zužování se říká
zaškrcování kanálu.
Oblast saturace
Pro vyšší hodnoty UDS (cca od 3V) přechází charakteristiky opět do lineárních úseček.
Tomuto místu odpovídají ve výstupních VA charakteristikách tzv. body zaškrcení
kanálu vyznačené červeně. Proud se s rostoucím napětím UDS již téměř nezvyšuje. Další
zvyšování proudu je způsobené již jen jevem zvaným modulace délky kanálu.
Charakteristické je vějířovité rozevření těchto úseček, které popisuje parametr lambda
odpovídající Earlymu napětí u bipolárních tranzistorů. Došlo k tzv. zaškrcení kanálu
vlivem působícího el. pole způsobeného napětím UDS. Pro použití tranzistoru MOSFET
jako zesilovače signálu se používá oblast saturace. Do této oblasti se tranzistor dostane
pro UDS větší než je (UGS - UT).
1.2 Pokyny pro měření JFET:
ID
V
A
V
1k
UDS
UGS
UCC
Obr.6: Zapojení pro měření
1. Výstupní charakteristika ID = f(UDS) / při UGS = konst.
a) Nastavte napájecí napětí UCC tak, aby UDS bylo 10V
b) Napětí UGS zvětšujte až do zániku proudu ID. Toto napětí může být cca 3 - 5 V podle typu
tranzistoru. Zjištěné napětí rozdělte na 4 úrovně tak, aby hodnoty odpovídaly čtyřem
charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu.
Věnujte pozornost správné polaritě všech napětí !!
c) Pro takto určené hodnoty UGS proměřte jednotlivé charakteristiky, hodnoty zapište do
tabulky a zakreslete je do grafu.
d) V průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného UGS.
2. Převodní charakteristika ID = f(UGS) / při UDS = konst.
(zdroj proudu řízený napětím-stejné zapojení jako v 1.)
a) Nastavte UDS = 5V a udržujte toto napětí konstantní.
b) Napětí UGS zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozí úloze.
c) Naměřené hodnoty zapište do tabulky a vyneste do grafu.
d) Totéž proveďte pro UDS = 3V
3. Admitanční parametry NLO
Ze změřených charakteristik určete admitanční parametry náhradního lineárního obvodu.
.konstUGS
D
S21
DS
U
I
y










.konstUDS
D
S22
GS
U
I
y










Výstupní vodivost S 
Přenosová admitance
strmost S , mA/V
Omezení: IDmax = 10mA ; UDSmax =
10V
Poznámka: Vodivý kanál tranzistoru je
plně otevřen při nulovém předpětí na
elektrodě G(ID = max); Přivedením
záporného předpětí na elektrodu G se
vodivost kanálu zmenšuje.
Elektroda G musí být proti elektrodě D
vždy záporná
1.3 Pokyny pro měření MOSFET s indukovaným kanálem – typ N:
V
A
V
1kID
UDSUGS
UCC
Obr.7: Zapojení pro měření
1. Výstupní charakteristika ID = f(UDS) / při UGS = konst.
e) Nastavte napájecí napětí UCC tak, aby při UGS =4 V bylo UDS= 10 V
f) Napětí UGS snižujte předpětí až do zániku proudu ID. Toto napětí může být
cca 1 až 2,5 V podle typu tranzistoru. Zjištěné napětí rozdělte na 4 úrovně tak, aby
hodnoty odpovídaly čtyřem charakteristikám s přibližně stejnou vzdáleností v grafu.
Věnujte pozornost správné polaritě všech napětí !!
g) Pro takto určené hodnoty UGS proměřte jednotlivé charakteristiky, hodnoty zapište do
tabulky a zakreslete je do grafu.
h) V průběhu měření kontrolujte stabilitu nastaveného UGS.
2. Převodní charakteristika ID = f(UGS) / při UDS = konst.
(zdroj proudu řízený napětím-stejné zapojení jako v 1.)
e) Nastavte UDS = 5V a udržujte toto napětí konstantní.
f) Napětí UGS zvětšujte, nejlépe po úrovních určených v předchozí úloze.
g) Naměřené hodnoty zapište do tabulky a vyneste do grafu.
h) Totéž proveďte pro UDS = 3V
3. Admitanční parametry NLO
Ze změřených charakteristik určete admitanční parametry náhradního lineárního obvodu.
.konstUGS
D
S21
DS
U
I
y










ID = f(UDS) / při UGS = konst.
Výstupní vodivost S 
Přenosová admitance
strmost S , mA/V
Omezení: IDmax = 10mA ; UDSmax =
10V
Poznámka: Tranzistor je plně otevřen při
napětí na řídící elektrodě G= 4V(ID =
max); Snižováním předpětí na elektrodu G
se vodivost kanálu zmenšuje.
Elektroda G má být proti elektrodě D
kladná