Teoretycznie sterowanie pracą tranzystora unipolarnego może się odbywać bez poboru mocy. W działaniu bierze udział tylko jeden rodzaj nośników ładunku, stad nazwa unipolarny.

Do tranzystorów unipolarnych należą:

• tranzystory polowe złączowe - FET (ang. Field-Effect Transistor), ze złączem p-n - PNFET lub ze złączem metal-półprzewodnik - MESFET
• tranzystory polowe z izolowana bramką - IGFET (ang. Insulated Gate Field-Effect Trasistor), z których najczęściej wykorzystuje się struktury metal-tlenek-półprzewodnik - MOS
• tranzystory polowe cienkowarstwowe (ang. Thin Film Transistor) - TFT.

Budowa, zasada działania i właściwości tranzystorów unipolarnych zostaną omówione na przykładzie tranzystorów złączowych.

Tranzystor unipolarny złączowy składa się zasadniczo z warstwy półprzewodnika typu n (w tranzystorach z kanałem typu n) lub półprzewodnika typu p (z kanałem p).Warstwa ta tworzy kanał. Do obu końców kanału są dołączone elektrody. W obszar kanału wdyfundowuje się domieszki dające obszary przeciwnego znaku niż kanał: do kanału n - domieszki akceptorowe (p+), do kanału p domieszki donorowe (n+) . Wyprowadzenie zewnętrzne tych obszarów nazywa się bramką. Między kanałem i bramką tworzy się złącze p-n . Budowa tranzystora z kanałem n pokazana została na rys. 6.26.

Rys. 6.26. Tranzystor unipolarny z kanałem n

Tranzystor unipolarny FET ma trzy elektrody:

1. źródło - S (ang. Source), jest elektrodą, z której wpływają nośniki ładunku do kanału; I_S - prąd źródła
2. dren - D (ang. Drain), jest elektrodą, do której dochodzą nośniki ładunku; I_D - prąd drenu, U_DS - napięcie dren-źródło
3. bramka - G (Gate), jest elektrodą sterującą przepływem ładunku; I_G - prąd bramki, U_GS - napięcie bramka-źródło.

Źródło i dren tranzystora są zawsze spolaryzowane tak, aby umożliwić przepływ nośników większościowych przez kanał w kierunku od źródła do drenu. Przykłady polaryzacji tranzystorów unipolarnych pokazano na rys. 6.27. W tranzystorze z kanałem typu p od źródła do drenu przepływają dziury, a z kanałem n - elektrony. Złącze bramka-kanał dla obu typów tranzystorów powinno być spolaryzowane w kierunku wstecznym.

Rys. 6.27. Polaryzacja tranzystorów unipolarnych FET: a) z kanałem n, b) z kanałem p

W pobliżu złącza p-n powstaje warstwa zaporowa, nazywana obszarem ładunku przestrzennego, pozbawiona nośników ruchomych. Ze względu na niejednakowe domieszkowanie warstwa ta głębiej wnika w obszar kanału niż bramki. Warstwa zaporowa ma dużą rezystancję, powoduje więc zmniejszenie czynnego przekroju kanału, przez który przepływa prąd. Wraz ze wzrostem polaryzacji złącza p-n w kierunku wstecznym (zwiększanie U_GS) rozszerza się warstwa zaporowa (głębiej wnika w kanał). Zatem dla ustalonego napięcia dren-źródło rezystancja kanału, a więc prąd drenu będzie funkcją napięcia bramka -źródło. Sterowanie przepływem prądu w tranzystorze unipolarnym zachodzi wskutek zmian pola elektrycznego, co się nazywa efektem polowym

Tranzystory unipolarne, podobnie jak tranzystory bipolarne, charakteryzują się dla dużych wartości sygnałów parametrami statycznymi i dla małych sygnałów zmiennych parametrami dynamicznymi. Właściwości statyczne opisują rodziny charakterystyk przejściowych i wyjściowych.

Rys. 6.28. Charakterystyki statyczne tranzystora unipolarnego: a) przejściowe, b) wyjściowe

Wielkościami charakterystycznymi krzywych są:

• napięcie odcięcia bramka-źródło - U_GSoff , tj. taka wartość napięcia, która należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym U_DS nie płynął prąd drenu
• prąd nasycenia I_Dss tj. prąd drenu płynący przy napięciu U_GS = 0 i określonym napięciu U_DS.

Charakterystyki przejściowe zależą od temperatury i przy różnych wartościach przecinają się w punkcie A(U_Gsz,I_Dsz). W punkcie A współczynnik temperaturowy zmian I_D jest równy zero i ten punkt powinien być dobierany jako punkt pracy.

Wyróżnia się trzy zasadnicze zakresy tych charakterystyk

1. zakres liniowy lub triodowy - "1", ograniczony wartością U_DSsat, w którym tranzystor zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy; prąd I_D ze wzrostem napięcia U_DS wzrasta w przybliżeniu liniowo

   (6.34)

   gdzie: C₁ i C₂ - stałe zależne od parametrów struktury i technologii wykonania tranzystora

2. zakres nasycenia, lub pentodowy - "2", zakres wykorzystywany zawsze przy pracy tranzystora unipolarnego w układzie wzmacniacza; napięcie U_DS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu, natomiast bramka zachowuje zdolności sterowania

   (6.35)

   przy czym wykładnik potęgi n przyjmuje się najczęściej równy dwa.

3. Zakres powielania lawinowego - "3"; w normalnej pracy nie wykorzystywany ze względu na możliwość trwałego uszkodzenia tranzystora.

W zakresie małych sygnałów zmiennych przyjmuje się, oprócz składowych stałych (polaryzujących) składowe zmienne o małych wartościach. Przebieg dla składowych zmiennych ma postać

(6.36)

gdzie współczynniki tego równania wyrażają się:

½ UDS.= const      ½ UGS.= const

(6.37)

Konduktancja wzajemna g_m jest nachyleniem charakterystyki bramkowej i wynosi kilka milisimensów. Rezystancja drenu lub rezystancja wyjściowa r_ds jest nachyleniem charakterystyki drenowej. W zakresie liniowym wartości jej są niewielkie, natomiast w zakresie nasycenia są rzędu kilkudziesięciu do kilkuset omów. Wyrażenie (6.36) ma swoja interpretacje układową w postaci schematu zastępczego przedstawionego na rys. 6.29.

Rys. 6.29. Małosygnałowy schemat zastępczy tranzystora unipolarnego

W zakresie większych częstotliwości należy uwzględnić również pojemności tranzystora: bramka-dren C_gd, bramka-źródło C_gs i dren-źródło C_ds. Zaznaczone je liniami przerywanymi na rys. 6.29.