Na rozdíl od bipolárních tranzistorů, u kterých řízený proud prochází dvěma polovodičovými přechody a ovládají se bázovým proudem (čímž zatěžují budící obvod nízkým vstupním odporem), u unipolárních tranzistorů řízený proud prochází jen polovodičem jednoho typu, mají tedy velmi malý úbytek napětí v sepnutém stavu a ovládají se pouze napětím, mají tedy velmi velký vstupní odpor (rádově MΩ).

Unipolární tranzistory jsou řízené elektrickým polem FET (Field Effect Tranzistor), kterým regulují velikost proudu procházejícího vodivým kanálem polovodiče typu N nebo P.
(Unipolární se jim říká proto, že používají jen jeden typ nosičů - buď elektrony nebo díry podle typu vodivého kanálu, na rozdíl od bipolárních tranzistorů, které využívají vždy oba typy nosičů)

Dělení unipolárních tranzistorů

• MOSFET s indukovaným kanálem
• JFET
• MESFET s přechodem kov-polovodič
• (MOSFET s vodivým kanálem)

Použití unipolárních tranzistorů

MOSFET s indukovaným kanálem

N-MOSFET (tranzistor s kanálem typu N) a P-MOSFET (tranzistor s kanálem typu P)
(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor)

Vyrábí se dvě varianty těchto tranzistorů, které se liší materiálem základní destičky a elektrod. Mezi elektrodami bude indukován kanál stejného typu jako jsou elektrody a podle něj se pak tranzistory označují jako N-MOSFET a P-MOSFET.

N-MOSFET

Běžnější varianta tranzistoru, který je tvořen základní destičkou polovodiče typu P s nízkou koncentrací příměsí, do které jsou vytvořeny dvě elektrody druhého typu (N+), tvořené velkou koncentrací příměsí. Na destičce je oxidací vytvořena nevodivá vrstva SiO₂, na níž je napařena hliníková vodivá elektroda G.

Protože je řídící elektroda izolována, vstupní odpor tranzistoru je obrovský (10¹³-10¹⁷Ω).

Důležité je pamatovat si, že izolační vrstva pod řídící elektrodou je velmi tenká a prorazí ji napětí už od několika desítek voltů, nejběžnější tranzistory mají maximální napětí 20V, 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, na ruce by měl být uzemňovací náramek.

Pokud na řídící elektrodu není přivedeno napětí, kolem přechodu vznikne vyprázdněná oblast u vývodu D zvětšená napětím v závěrném směru a neprotéká žádný proud.

Přivedením dostatečně velkého napětí na řídící elektrodu v kladné polaritě dojde k vytrhávání elektronů ze základní destičky, což způsobí vznik tzv. inverzní vrstvy, která obsahuje dostatek volných elektronů na vedení proudu mezi elektrodami S a D. Tomuto napětí, při kterém začíná tranzistor vést, se říká prahové, značí se U_T a běžné hodnoty jsou 1,5 až 5 V.
Protože základní destička je typu P, tvoří s vývody s elektrodami D a S diody. Protože vývod S je ze základní destičkou zkratován, je tak vlastně mezi S a D přechod PN tvořící diodu (která je na americké verzi značky dokonce zakreslena - tzv. body dioda), takže tranzistor musí být zapojen se správnou polaritou, aby tato dioda byla zapojena v závěrném směru.

Přenosová a výstupní charakteristika tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem

Při nulovém napětí na řídící elektrodě je výstupní proud nulový. Pokud napětí na řídící elektrodě překročí hodnotu prahového napětí U_T, začnou se ze základní destičky vytrhávat nosiče a protéká proud. Zvyšováním napětí přibývá množství nosičů a proud roste. Běžná hodnota U_T je 3 V.

Strmost nárůstu výstupního proudu I_D určuje zesílení tranzistoru a zjednodušeně se dá spočítat dle vztahu:

V sepnutém stavu má tranzistor hodnotu odporu R_DSon, která se u spínacích tranzistorů pohybuje v hodnotách desítek mΩ (například 50 mΩ)

Simulace obvodu zobrazujícího výstupní charakteristiku tranzistoru

JFET

(Junction Field Effect Tranzistor)

Tranzistor je tvořen základní destičkou polovodiče jednoho typu (například N), na které je ze dvou stran vytvořena brána (hradlo) z polovodiče opačného typu (P). Bránou prochází kanál, kterým protéká proud. Řídící elektroda označovaná G (Gate) je připojena k oběma polovinám brány. Vývody vodivého kanálu jsou označovány S a D (Source - zdroj, Drain - odtok).

Pokud na řídící elektrodu není přivedeno napětí, kolem přechodů PN vznikne vyprázdněná oblast, která omezuje průchozí vodivý kanál a definuje maximální velikost protékajícího proudu.

Do řídící elektrody neteče prakticky žádný proud (přechod PN je v závěrném směru), tranzistor je řízen pouze napětím. Při určité velikosti napětí dojde k úplnému zaškrcení kanálu a kanál se zavře.

Přenosová a výstupní charakteristika tranzistoru JFET

Při nulovém napětí na řídící elektrodě U_GS je výstupní proud I_D největší, se snižujícím se řídícím napětím klesá k nule.

Pro dané napětí řídící elektrody U_GS při zvyšujícím se napětí U_DS proud I_D zpočátku prudce roste, ale vlivem nerovnoměrně se zužujícího kanálu (vyprázdněná oblast u vývodu D se zvětšuje) růst proudu zpomaluje, až dojde k nasycení kanálu a proud už se nemění.

Simulace obvodu zobrazujícího výstupní charakteristiku tranzistoru

MOSFET s vodivým kanálem

(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor)

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 a mezi nimi je vytvořen úzký kanál stejného typu (N) s nízkou koncentrací příměsí. 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 (10¹³-10¹⁷Ω).

Důležité je pamatovat si, 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.

Pokud na řídící elektrodu není přivedeno napětí, kolem přechodu vznikne vyprázdněná oblast, která omezuje průchozí vodivý kanál a definuje velikost proudu protékajícího mezi elektrodami S a D.

Protože základní destička je z opačného typu polovodiče, tvoří s kanálem přechod PN nebo-li diodu. Základní destička je často přímo v pouzdře propojena s vývodem S, takže dioda je logicky zapojena mezi vývody S a D. Tranzistor pak není symetrický a lze ho zapojovat jen se správnou polaritou tak, aby tato dioda byla v závěrném směru!

Přenosová a výstupní charakteristika tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem

Při nulovém napětí na řídící elektrodě je výstupní proud daný množstvím zbývajících volných nosičů ve vodivém kanálu. Při rostoucím kladném napětí řídící elektrody je množství nosičů vodivého kanálu obohacováno, s rostoucím záporným napětím naopak ochuzováno. Při dosažení záporné hodnoty prahového napětí U_T jsou všechny nosiče z kanálu vytlačeny a proud přestane téct.

Simulace obvodu zobrazujícího výstupní charakteristiku tranzistoru

Simulace obvodu zobrazujícího porovnání přenosových charakteristik unipolárních tranzistorů

Simulace obvodu zobrazujícího porovnání výstupních charakteristik unipolárních tranzistorů

MESFET s přechodem kov-polovodič

(MEtal Schottky Field Effect Tranzistor)

Tento tranzistor využívá usměrňující přechod kov-polovodič, který je (podobně jako Schottkyho dioda) schopen pracovat na velmi vysokých frekvencích (desítky GHz). Principiálně pracuje stejně jako JFET a má i stejnou značku.

Naměřené charakteristiky skutečných tranzistorů

Použití unipolárních tranzistorů

MOSFET tranzistor s indukovaným kanálem jako spínač

Spínací napětí U_GS musí být dostatečně velké (aspoň trojnásobek prahového napětí U_T), aby se dosáhlo spolehlivého sepnutí - běžné hodnoty jsou 10-15V (u logických 3-5V) - přesnější informace zjistíte v datasheet informacích od výrobce tranzistoru.

Pokud se má spínat napětí zdroje menší jak 5V, je nutné použít speciální řadu MOSFET tranzistorů někdy označovaných zkratkou L (logic). Ty mají nižší hodnoty prahových napětí U_T běžně 1 - 2V.
Pokud se má spínat napětí zdroje větší jak 20V, u nízkofrekvenčních malovýkonových aplikací se řídící napětí musí snížit (například děličem)!

Pro výkonové a vysokofrekvenční aplikace je nutné využít spínací budič (mosfet driver), který zajistí dostatečně velký proudový impulz pro rychlé nabití vstupní kapacity řídící elektrody - což sníží nebezpečí přehřátí tranzistoru pomalým otevřením.

U tranzistorů spínaných z výstupů mikroprocesorů (arduino), je nutné před řídící elektrodu zapojit omezovací rezistor pro snížení nabíjecích proudů vstupní kapacity řídící elektrody. Proudová špička by mohla výstupní obvody mikroprocesorů přetížit a zničit (běžné hodnoty jsou 100-150Ω).

Simulace obvodu s MOSFET tranzistorem s indukovaným kanálem jako spínačem s děličem pro snížení maximálního napětí U_GS

MOSFET tranzistor s indukovaným kanálem jako regulátor

Pokud se má regulovat napětí zdroje větší jak 20V, řídící napětí se musí snížit (například děličem)!

Většina dnešních výkonových mosfet tranzistorů je určeno pouze pro režim spínání. Tzv. lineární režim nedokážou uchladit a zničí se!

Simulace obvodu s MOSFET tranzistorem s indukovaným kanálem jako regulátorem s děličem pro snížení maximálního napětí U_GS

MOSFET tranzistor s vodivým kanálem jako zesilovač

Simulace obvodu s MOSFET tranzistorem s vodivým kanálem jako zesilovačem