Väljatransistor

Väljatransistor (ka välitransistor, kanaltransistor) on pingega tüüritav transistor. Väljatransistoris tekitab sisendpinge elektrivälja, millega saab tüürida (mõjutada) juhtivat kanalit läbivate ühenimeliste laengukandjate ‒ elektronide või aukude ‒ voogu. Juhtiva kanali otstes on elektroodid; neist üht, mille kaudu laengukandjad sisenevad kanalisse, nimetatakse lätteks (source), ja teist, mille kaudu laengukandjad väljuvad kanalist, neeluks (drain). Tüürivat elektroodi nimetatakse paisuks (gate). Bipolaartransistoridel vastavad neile emitter, kollektor ja baas. Neljas elektrood on ühendatud aluse ehk substraadiga (body), ja reeglina on elektriliselt ühendatud lättega (transistori sees).

Väljatransistori kohta kasutatakse ka nimetust unipolaartransistor, sest kanali voolu moodustavad ühenimelised laenguandjad (vrd bipolaartransistor).

Väljatransistoride põhitüübid

Selle järgi, kuidas tüürelektroodi elektriväljaga muudetakse lätte ja neelu vahelise voolu tugevust, jagunevad väljatransistorid pn-siirdega transistorideks ja isoleeritud paisuga transistorideks:

• pn-siirdega väljatransistoris muudab tüüriv elektriväli kanali tegevristlõiget; lühend JFET (inglise keele sõnadest junction gate field-effect transistor).
• isoleeritud paisuga väljatransistoris muudab tüüriv elektriväli laengukandjate kontsentratsiooni kanalis, seega kanali takistust; rahvusvaheliselt kasutatav lühend MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor).

Kõige laiemat kasutamist leiavad MOSFET-transistorid, seejuures digitaalsetes integraallülitustes peamiselt komplementaarsete struktuuridena – CMOS-lülititena. CMOS-struktuurid on eriti laialt kasutusel suurtes integraallülitustes (nt protsessorites, kontrollerites, mälukomponentides).

pn-siirdega transistori skemaatiline ehitus
1 – ruumlaeng, 2 – kanal

pn-siirdega väljatransistorid

 Pikemalt artiklis pn-siirdega väljatransistor

Väljatransistori p- või n-kanaliga külge on ühendatud lätte ja neelu elektroodid. Kanaliga külgnevad teistpidise juhtivusega paisutsoonid. Kui paisu ja kanali vahele rakendada pinge, moodustub erina juhtivusega kihtide kokkupuutepinnal pn-siire, mis toimib neid eraldava tõkkekihina. Mida suurem on vastupinge, seda paksem on tõkkekiht ja mida paksemaks läheb tõkkekiht, seda kitsamaks jääb voolu juhtiv kanal. Seega saab paisu ja lätte vahelise pingega muuta (tüürida) kanali voolu – neeluvoolu, mis sõltub paisule rakendatavast pingest, mis on paisu ja kanali vahelise p-n-siirde jaoks oma olemuse poolest vastupingestus.

JFET-transistore saab kasutada nõrkade signaalide väga väikese müratasemega võimendites, aga ka juhitava takistina ja, nagu muidki väljatransistore, elektronlülitina.

n-kanaliga MOSFETi pooljuhtstruktuuri näide

Isoleeritud paisuga väljatransistorid

 Pikemalt artiklis Isoleeritud paisuga väljatransistor

MOSFET-transistoris toimib paisuna metallikiht, mis on pooljuhist eraldatud õhukese dielektrikukihiga, enamasti ränidioksiidiga.

Sõltuvalt sellest, kas pooljuhtalusesse on voolukanal sisse moodustatud või kujuneb see seadise pingestamisel, eristatakse formeer- ja indutseerkanaliga väljatransistore.

MOSFETil võib olla n-kanal, kui laengukandjaiks on elektronid, või p-kanal, kui laengut edastavad elektronide asemel augud; elektroodipingete polaarsused on seejuures vastupidised.

Samal aluskristallil mõlemat tüüpi kanaliga MOSFETide teostamist nimetatakse komplementaartehnoloogiaks (CMOS).

Formeeritud (sisseehitatud) kanaliga transistore tuntakse ka kui vaegustüüpi MOS-transistore (depletion-mode N-MOSFET), sest neid saab juhtipingega viia laengukandjavaesesse ehk vaegusrerežiimi (kanalit sulgeda). Seevastu indutseeritud kanaliga transistore (enhancement-mode N-MOSFET) saab kasutada kanalit juhtpinge abil laengukandjarikkas ehk küllusrežiimi viies (kanalit avades).

Kanali takistus avatud (juhtivas) olekus võib suurevoolulistel MOSFETidel olla millioomide suurusjärgus, mistõttu neid saab paljudel juhtudel kasutada mehaanilise kontakti (reele, lüliti) analoogina.

Võimenduselemendina on MOSFETid kõrgema omamüra tasemega kui seda on JFETid, erit madalamatel sagedustel (helisagedustel ja veelgi madalamatel sagedustel). Raadiosagedustel nende vahel olulisi erinevusi omamüra osas ei ole.

Väljatransistoride tingmärgid

n-kanaliga pn-väljatransistor (N-JFET) G (Gate) ‒ pais, D (Drain) ‒ neel, S (Source) ‒ läte	p-kanaliga pn-väljatransistor (P-JFET)	sisseehitatud n-kanaliga vaegustüüpi MOS-transistor (depletion-mode N-MOSFET)	sisseehitatud p-kanaliga vaegustüüpi MOS-transistor (depletion-mode P-MOSFET)	pingestamisel indutseeritava n-kanaliga (enhancement-mode N-MOSFET)	pingestamisel indutseeritava p-kanaliga küllustüüpi MOS-transistor (enhancement-mode P-MOSFET)

Märkus: Pange tähele, et siin on tingmärgid paarides 1-2, 3-4 ja 5-6 omavahel erinevad vaid p-n-siiret tähistava noole suuna poolest, mitte üldise kuju poolest, kuid nad on siin esitatud peegeldatuna horisontaaltelje suhtes, nagu neid elektriskeemides enamikul juhtudel kasutatakse juhul kui toite "+" on skeemil ülevalpool ja "–" allpool.

Väljatransistoride eritüüpe

• CNTFET (carbon nanotube FET) ehk süsiniknanotorude FET – põhimõttelt sarnaneb MOSFET-iga, kuid kanali ehitamiseks kasutatakse süsinikust tehtud pooljuhtivaid nanotorusid.
• DEPFET (depleted p-channel field-effect transistor) – selle baasil on võimalik toota fotosensoreid ja nende maatriksitest vastavalt fotokaamerate sensoreid.
• DNAFET (deoxyribonucleic acid FET) – seadis, mis kasutab lülitamiseks DNA molekule; kasutatakse biosensorina.
• FREDFET (fast-recovery epitaxial diode field-effect transistor) – seadis, mis on võimeline väga kiiresti välja lülituma; seetõttu sobib see hästi suure induktiivsusega elektritarvitite (nt elektrimootorite) väljalülitamiseks.
• HFET ehk HEMT ehk MODFET (high electron mobility transistor) – põhineb erineva keelutsooniga materjalide kasutamisel.
• ISFET (ion-sensitive field-effect transistor) – seadis reageerib ioonide kontsentratsioonile; paisumaterjaliks näiteks SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ ja Ta₂O₅.
• MESFET (metal semiconductor field-effect transistor) – sarnaneb JFET-transistoriga, aga lisatud onSchottky siire.
• NOMFET (nanoparticle organic memory FET) – orgaaniline transistor, mis imiteerib aju sünapse.
• OFET (organic field-effect transistor) – orgaaniline väljatransistor.
• GNRFET (graphene nanoribbon FET) – seadis, mis kasutab kanalina süsiniku ühe allotroobi nanoribasid.
• MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor); isoleeritud paisuga väljatransistori eristruktuure:
  • DGMOSFET (double-gate strukture) – topeltpaisuga struktuurid;
  • FINFET (tri-gate structure) – kolme paisuga struktuurid;
  • GAA (gate-all-around structure) – ümberringi kaetud paisuga struktuurid.

Väljatransistoride võrdlus bipolaartransistoridega

Kasutamise seisukohast erinevad väljatransistorid bipolaartransistoridest eelkõige suure sisendtakistuse poolest (vähemalt sajad megaoomid).

Väljatransistoriga võimendusastme võimendus on rohkem kui kümnendsuurusjärgu võrra väiksem kui bipolaartransistori kasutamise korral. See on seletatav sellega, et väljatransistori tõus S on ligikaudu määratud seosega S=2·I, ehk lamptrioodiga samas suurusjärgus, samal ajal kui bipolaartransistoril on see ligilähedaselt leitav seosega S=40·I (I on siin transistori läbiv vool tööpunktis).

Väljatransistoride omamüra tase on mõnevõrra madalam kui bipolaartransistoridel, sest laengukandjad liiguvad kanalis elektrivälja kiirendaval toimel (mitte difusioonselt). Madala sisetakistusega signaali allika korral osutub bipolaartransistori kasutamine siiski reeglina paremaks lahenduseks. Kuid kõrge sisetakistusega signaaliallika puhul võib mürataseme erinevus olla väljatransistori kasuks kümnendsuurusjärgu jagu (20 dB) või enamgi. Siinjuures on JFETid ja MOSFETid erinevate müraomadustega, eriti madalatel sagedustel (helisagedustel ja veelgi madalamatel sagedustel).

Ka on temperatuuri mõju väljatransistori parameetritele väiksem, sest voolu moodustavad väljatransistoris enamuslaengukandjad, mille hulk ei sõltu oluliselt temperatuurist. Väljatransistoridel puudub seetõttu soojusläbilöögi oht, sest temperatuuri tõustes neeluvool pigem väheneb.

Probleemiks on väljatransistoride puhul see, et võrreldes bipolaartransistoride baasielektroodiga on väljatransistoride paisuelektrood väga tundlik staatilise elektri suhtes ja sageli ei talu pinget üle paarikümne voldi ka võimsate ja kõrgepingeliste transistoride puhul.

Väljatransistore võib olla kohati keerulisem tüürida, mistõttu nende juhtimiseks tuleb kasutada spetsiaalseid lülitusi või mikroskeeme – draivereid.

Võimsusastmete puhul võib kristalli pinna kasutamise seisukohalt bipolaartransistor osutuda vähem pinda nõudvaks, kuna vool voolab selles risti kristalli pinnaga, väljatransistoris aga õhukeses kanalis piki pinda.

Vaata ka

• Orgaaniline väljatransistor
• Transistor
• Biotransistor