Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 2. Tranzystory polowe JFET

Tranzystory polowe JFET Na początku lat 50., a więc kilka lat po tranzystorze bipolarnym, zrealizowano wreszcie w laboratorium długo oczekiwany i spodziewany od ponad 20 lat tranzystor polowy złączowy (JFET – Junction Field Effect Transistor).
Article Image

Jak działają tranzystory JFET?

Zasada działania takich tranzystorów jest bardzo prosta: mamy niewielki kawałek materiału półprzewodnikowego. Półprzewodnik jest domieszkowany i ma stosunkowo małą rezystancję. Gdy we wnętrzu tego półprzewodnika wytworzymy pole elektryczne o odpowiednim kierunku, pole to będzie odpychać nośniki, wypychać je z drogi przepływu (kanału) i zmniejszać tym przepływ prądu. Prosta budowa tranzystorów złączowych (JFET) jest zilustrowana na rysunku 1.

Rys.1 Budowa tranzystorów złączowych (JFET)

W większości zastosowań istotną wadą JFET-ów jest fakt, że są to tranzystory normalnie otwarte. Czyli przy braku sygnału sterującego przewodzą prąd. Aby je zatkać, trzeba podać „niewygodne, odwrotne napięcie” – w przypadku tranzystorów JFET z kanałem N, zasilanych napięciem dodatnim, napięcie sterujące wymagane do zatkania tranzystora musi być ujemne o wartości kilku woltów, co ilustruje rysunek 2. Natomiast aby taki tranzystor otworzyć, wystarczy podać napięcie sterujące równe zeru, czyli zewrzeć bramkę ze źródłem (teoretycznie można też podać niewielkie napięcie dodatnie, ale co najwyżej 0,5V, by nie popłynął prąd bramki przez bramkowe złącze pn).

Można też wykonać bardzo podobny tranzystor polowy FET ze złączem metal-półprzewodnik (czyli ze złączem takim, jak w diodzie Schottky’ego). Tranzystory takie opracowano już w roku 1966 i nazywane są MESFET (MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor) i co ciekawe, to one okazały się najbliższe idei Lillenfelda z połowy lat dwudziestych.

Rys.2 Tranzystory JFET z kanałem N

Klasyczne tranzystory JFET i MESFET mają prostą zasadę działania i mogą mieć nieskomplikowaną konstrukcję, jednak przez dziesiątki lat nie zyskały znaczącej popularności. Między innymi dlatego, że w prosty i łatwy sposób można było wykonać tylko tranzystory JFET małej mocy o prądach, powiedzmy do 0,1 ampera. Udział JFETów i MESFET-ów w klasycznej elektronice był i jest znikomy, a chlubnym wyjątkiem są nowoczesne tranzystory tego typu bardzo wysokiej częstotliwości, zrealizowane z materiałów innych niż german i krzem. Zostaną one omówione w dalszej części cyklu.

W przeciwieństwie do innych odmian tranzystorów, nie upowszechniły się JFET-y i MESFET-y dużej mocy ani wysokonapięciowe, których praktyczna realizacja jak najbardziej jest możliwa. Już w latach 70. pojawiły się tranzystory SIT (Static Induction Transistor), m.in. Sony 2SK28, które można traktować jako odmianę JFET-ów o dużej mocy. Jednak elementy te szybko znikły z rynku. Ciekawostką jest fakt, że idea tranzystorów SIT została opracowana bardzo wcześnie, bo w roku 1950 w Japonii (Nishizawa i Watanabe).

Rys.3 Fragmenty karty katalogowej JFET-a mocy (24V, 50A, 69W) LU1014D

Mniej więcej 10 lat temu niewielka amerykańska firma Lovoltech oferowała krzemowe tranzystory JFET dużej mocy. Rysunek 3 to fragmenty karty katalogowej JFET-a mocy (24V, 50A, 69W) o oznaczeniu LU1014D. Wywołały one też zrozumiałe zainteresowanie miłośników audio z uwagi na „lampopodobne” charakterystyki i właściwości. Niestety rynkowe zainteresowanie było zbyt małe, żeby produkcja tych interesujących elementów była opłacalna. Firma Lovoltech najpierw zmieniała nazwę na Qspeed, a potem (2011) została wykupiona przez Power Integrations Inc., ale nie z uwagi na JFET-y mocy, tylko na ulepszone odmiany diod. JFET-ów mocy nie ma w ofercie Power Integrations. Dziś oferuje ona przede wszystkim bardzo interesujące, nowoczesne sterowniki sieciowych przetwornic indukcyjnych.

Na stronach innych producentów można znaleźć JFET-y mocy i ich karty katalogowe, ale nie elementów krzemowych, tylko wykonanych z innego półprzewodnika, mianowicie z węglika krzemu (SiC), materiału, którym zajmiemy się w dalszej części cyklu. Rysunek 4 to fragmenty karty katalogowej bardzo poważnego producenta, koncernu Infineon.

Rys.4 Fragmenty karty katalogowej Infineon

Karta tranzystora IJW120R100T1 pochodzi z roku 2013, jest dostępna na stronie www.infineon.com pod adresem, ale w aktualnej ofercie trudno znaleźć takie elementy. Można też znaleźć karty katalogowe JFET-ów mocy pod marką Micross Components np. pod adresem, ale jak widać na rysunku 5, charakterystyka przejściowa mało przypomina charakterystyki klasycznych JFET-ów, bo przy zerowym napięciu bramki jest on... zatkany. Zaczyna się otwierać dopiero przy dodatnim napięciu bramki około 1V. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu SiC, przez co napięcie przewodzenia diody jest wysokie, w temperaturze pokojowej wynosi około 2,4V.

Rys.5 Karty katalogowe JFET-ów mocy Micross Components

JFET-y mocy są w ofercie United Silicon Carbide Inc. (USCi), na przykład 1200-woltowy, 38-amperowy UJN1205K. Rysunek 6 pokazuje fragmenty jego karty katalogowej. W chwili pisania artykułu globalny autoryzowany dystrybutor, Mouser, ma je w swojej ofercie (http://eu.mouser. com/usci/) w cenie prawie 120zł za sztukę.

Karty katalogowe są, w sieci można też znaleźć informacje o próbkach (samplach), są też artykuły o wzmacniaczach audio z tranzystorami mocy JFET. Przykłady na stronie www.firstwatt.com/prod.html, gdzie przynajmniej trzy przedstawiane wzmacniacze mają zawierać JFET-y mocy (J2, F3, F2J). Mają to być elementy produkcji SemiSouth Corporation. Firmy, która... została zamknięta w roku 2012.

Rys.6 United Silicon Carbide Inc. (USCi), 1200-woltowy, 38-amperowy UJN1205K

O ile „pojedyncze” tranzystory JFET mocy nie mogą się upowszechnić na rynku, o tyle nieco większą szansę mają elementy, będące połączeniem JFET-a i MOSFET-a. O takich hybrydach jeszcze będziemy mówić.

W Internecie można też znaleźć wzmianki o tranzystorach FET z azotku galu (GaN). Bliższe zapoznanie się z nimi wskazuje, że owszem, chodzi o tranzystory FET, czyli polowe (Field Effect Transistor), ale nie o tranzystory złączowe JFET, tylko MOSFET, którymi zajmiemy się później.

W podsumowaniu można stwierdzić, że tranzystory o najprostszej zasadzie działania, mianowicie tranzystory polowe, zostały przewidziane przez teoretyków już sto lat temu. Jednak praktyczna realizacja tych nieskomplikowanych elementów nastąpiła z dużym opóźnieniem, dopiero kilka lat po wynalezieniu tranzystora bipolarnego. Na rynku pojawiły się JFET-y małej mocy. Nigdy nie zdobyły one znaczącej popularności. Z czasem próbowano też wypuścić na rynek tranzystory JFET większej mocy, krzemowe i z węglika krzemu. Wydawałoby się, że te elementy są, ale tak naprawdę... ich nie ma. Rozwój tranzystorów polowych poszedł bowiem inną drogą.

Zajmiemy się tym w następnym odcinku.

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich sierpień 2018
Udostępnij
UK Logo