Podręcznik

Na początek przypomnijmy sobie w skrócie, jakie są tzw. obszary pracy tranzystora unipolarnego i jakimi zależnościami można ten tranzystor opisać.

Tranzystor unipolarny jest wyłączony

Sprawa jest prosta: przez kanał tranzystora unipolarnego nie płynie żaden prąd_[1]. To oznacza, że napięcie U_GS (bramka – źródło) jest mniejsze od napięcia progowego U_T.

W przypadku tranzystora złączowego z kanałem N napięcie bramki potrzebne do wyłączenia tranzystora musi być mniejsze od napięcia drenu o co najmniej U_T, z kolei przy napięciu U_GS = 0 V przez kanał płynie pewien określony prąd, oznaczany jako I_DSS.

Z tranzystorem polowym z izolowaną bramką rzecz jest bardziej skomplikowana, bo taki tranzystor może występować w dwóch wersjach: tranzystor normalnie włączony (inaczej „tranzystor zubożany”) albo tranzystor normalnie wyłączony („tranzystor wzbogacany”). Pierwszy, co do właściwości elektrycznych, odpowiada tranzystorowi unipolarnemu złączowemu, czyli ma ujemne napięcie progowe i niezerowy prąd I_DSS, zaś drugi dla pojawienia się prądu płynącego przez kanał potrzebuje napięcia U_GS dodatniego i większego od wartości progowej U_T. To na tym drugim typie będziemy koncentrować naszą uwagę, gdyż jest to najbardziej popularny typ tranzystora MOS typu N.

Włączamy tranzystor, ale z niewielkim napięciem U_DS

Załóżmy, że napięcie U_GS przekroczyło wartość progową U_T. W tranzystorze, pomiędzy drenem a źródłem, zaindukował się kanał[2], przez który może płynąć prąd. Natężenie tego prądu (czyli prądu drenu I_D) będzie tym większa, im większe będzie napięcie U_GS. Niestety wpływ na prąd I_D ma także napięcie U_DS. Ten wpływ istnieje zawsze, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym prąd IC zależy nie tylko od napięcia U_BE, ale także – jakkolwiek na ogół dosyć nieznacznie – od napięcia U_CE, jednak przy małym napięciu U_DS zależność I_D od U_DS jest silna. To sprawia, że w tym obszarze tranzystor unipolarny użyty jako wzmacniacz (w tym oczywiście jako wtórnik) bardzo silnie „wygina” wzmacniany sygnał, a więc powoduje powstawanie ogromnych zniekształceń nieliniowych. Za to nadaje się wtedy do innych zastosowań, ale to temat na inną opowieść[3].

Wartością graniczną napięcia U_DS, powyżej tranzystor unipolarny przestaje być „zniekształcaczem sygnału”, jest U_DS = U_GS − U_T.

Podsumowując, jeśli U_DS < U_GS - U_T :

$I_D=β⋅[(U_{GS}-U_T)⋅U_{DS}-\frac{U_{DS}^2}{2}]$

 w tranzystorze złączowym (J-FET)

oraz

$I_D=β⋅[(U_{GS}-U_T)⋅U_{DS}-\frac{U_{DS}^2}{2}](1+λ⋅U_{DS })$ w tranzystorze MOS.

gdzie β to… nie, zdecydowanie to nie ta β o której była mowa w rozdziałach dotyczących wtórników z tranzystorami bipolarnymi. O tym będzie dalej. Z kolei l to parametr odzwierciedlający fizyczne zjawisko modulacji długości kanału. To zjawisko, którego symptomy są bardzo zbliżone do skutków efektu Early'ego w tranzystorach bipolarnych Na razie przyjmijmy, że nasze tranzystory MOS są tego efektu pozbawione i l=0.

W obu opisanych wyżej przypadkach widać wyraźną zależność prądu I_D od napięcia U_DS. Ponadto dla wartości U_DS»0 oba równania stają się, z dobrym przybliżeniem, liniowymi funkcjami U_DS. Co to oznacza? Otóż tranzystory unipolarne zachowują się w tym zakresie pracy jak sterowane rezystancje, przy czym to potencjał bramki decyduje o wartości tej rezystancji. Elementem z dawnych czasów, który posiadał podobne właściwości była lampa próżniowa – trioda. Był to właśnie element, w którym prąd obciążenia niemal liniowo zależał od napięcia odłożonego między elektrodami wyjściowymi, a współczynnik decydujący o tej zależności (czyli rezystancja) zależał od przyłożonego napięcia sterującego. Z powodu analogii w opisie matematycznym triody i tranzystora unipolarnego ten zakres pracy tranzystora unipolarnego nazywamy zakresem triodowym[4]. Jego inna nazwa to nienasycenie.

Wniosek ze wszystkich powyższych rozważań jest oczywisty: jeśli budujemy wzmacniacz albo wtórnik, należy dbać o to, by napięcie U_DS było zawsze większe od U_GS − U_T!

Tranzystor unipolarny pracuje w zakresie pentodowym (nazwa pochodzi od lampy zwanej pentodą)

Jeśli napięcie U_DS przekroczy „magiczną” wartość U_GS −U_T, tranzystor unipolarny staje się naszym przyjacielem i można go używać do w miarę liniowego przetwarzania sygnałów analogowych. Zależności opisujące prąd drenu I_D są wówczas następujące:

$I_D=β⋅(U_{GS}-U_T)^2$ dla tranzystora J-FET

$I_D=\frac{β}{2}⋅(U_{GS}-U_T)^2$  dla tranzystora MOS

Jak widać, przynajmniej na pierwszy rzut oka nie widać tu zależności prądu I_D od napięcia U_DS.

Pora na małe podsumowanie, czyli: łatwo już było, a więc pora na zagmatwanie sytuacji (bo, jak mówią, w mętnym prądzie łatwiej się elektrony łowi).

Po pierwsze: nazewnictwo:

Gdy U_DS < U_GS − U_T sprawa jest w miarę prosta: tranzystor unipolarny znajduje się w stanie nienasycenia, albo pracuje w zakresie triodowym.

Gorzej jest, gdy  U_DS > U_GS − U_T. Wtedy tranzystor pracuje w zakresie pentodowym albo jest… nasycony! Okropność: tranzystor bipolarny „jest be” w zakresie nasycenia, ale dla odmiany tranzystor unipolarny w tym zakresie „jest cacy”. No cóż, tak jest i trudno coś poradzić. Pozostaje się przyzwyczaić albo używać tylko określeń „zakres triodowy” i „zakres pentodowy”. W niniejszym opracowaniu wybierzemy to drugie podejście[5].

Po drugie: beta (β):

W przypadku tranzystora bipolarnego β oznacza współczynnik wzmocnienia prądowego, czyli stosunek prądu kolektora do prądu bazy. Niestety, mając do dyspozycji całe mnóstwo liter greckiego alfabetu, ktoś kiedyś wpadł na pomysł, by w przypadku tranzystora unipolarnego litera β oznaczała całkiem coś innego. Jest to parametr materiałowy, którego wymiar to mA/V².

Dla tranzystora złączowego J-FET:$β=\frac{I_{DSS}}{U_T^2 }$

a dla tranzystora MOS:$β=μc_{ox } \frac{W}{L},c_{ox}=\frac{ϵ}{t_{ox} }$

gdzie: m to ruchliwość nośników (elektronów dla tranzystora NMOS), c_ox pojemność jednostkowa tlenku bramkowego, t_ox grubość tlenku, e przenikalność elektryczna tlenku bramkowego, W i L odpowiednio szerokość i długość kanału tranzystora.

I to by było na tyle, jeśli chodzi o najbardziej podstawowe wiadomości dotyczące tranzystorów unipolarnych. Możemy już wrócić do sedna, czyli do małosygnałowych parametrów wtórników źródłowych.