Реферат: Транзисторы
ТРАНЗИСТОРЫ
1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора
Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенныйдля усиления мощности электрического сигнала.
Наиболее распространенные получили биполярныеи полевые транзисторы. Первые имеют два р-nперехода. В формировании ихтока участвуют носителизаряда обеих полярностей (знаков), что и объясняет наименование «биполярные».В полевых транзисторах ток формируется носителями одной полярности –электронами или дырками. Поэтому полевые транзисторы достаточно часто называютуниполярными. Их рассмотрение будет приведено дальше.
Схематическое изображениеструктуры биполярных транзисторов приведено на рисунке 2.1, а.
/>
Рисунок 2.1.Возможные структуры и уловное изображение биполярного транзистора.
Последовательноесоединение полупроводника с электронной и дырочной проводимостью, котороенеобходимо для формирования двух р-п переходов в одном приборе, приводит к образованию либо п-р-п,либо р-п-р структуры. В соответствии с ними биполярные транзисторыбывают либо п-р-п, либо р-п-р типа. Центральная область (а такжевывод от нее) называется базой (Б), крайние, имеющие иной типпроводимости по сравнению с базой, — коллектором (К) и эмиттером (Э). К каждойиз областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему.
Переход между базой иэмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Конструктивно транзисторы различаются в зависимости от мощности и методаобразования р-n переходов. Физические процессы, протекающие в транзисторах обоих типов, аналогичны.
В первом приближениитранзистор может быть представлен двумя диодами, с соединенными вместе анодамиили катодами ((рисунок 2.1, б)). Такое представление является достаточным прирассмотрении режимов работы при двух полностью открытых или закрытых переходах.В графическом условном изображении транзистора (рисунок 2.1, в) сохранилось, ввиде стрелки, обозначение прямого направления эмиттерного п-р перехода.
Для того чтобы транзистормог эффективно выполнять свои функции, необходимо чтобы:
— расстояние между переходами быломеньше длины свободного пробега неосновных носителей полупроводниковогоматериала базы;
— концентрация примесей в области базыдолжна быть существенно ниже (на несколько порядков), чем концентрация примесейв области эмиттера.
Для выполнения первогоусловия область базы делают тонкой, В некоторых типах транзисторов полеколлекторного перехода простирается вплоть до эмиттерного. Выполнение второгоусловия обеспечивается технологией изготовления прибора.
В большинстве случаев кристалл с переходамимонтируется в специальный корпус, который выполняет следующие функции:
§ изолирует кристалл спереходами от воздействия внешней среды;
§ обеспечиваетмеханическую прочность прибора, отвод тепла, выделяющегося напереходах при работе прибора, а также удобство монтажа прибора.
В зависимости от полярности напряжений,приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четырережима его работы:
Активный режим. Наэмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный– обратное. Этот режим является основным режимом работытранзистора при работе с аналоговыми сигналами.
Режим отсечки. Кобоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишьнезначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.
Режим насыщения.Обаперехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепитранзистора максимален и практическая не регулируется током входной цени. В этом режиметранзистор полностью открыт.
Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному – прямое.Эмиттер и коллектор меняются своимиролями – эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор – функции эмиттера.Этот режим, как правило, несоответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.
Принцип работы биполярноготранзистора в активном режиме рассмотрим на примере транзистораn-р-nтипа. Для этого на эмиттерный переходподадим прямое напряжение (Uбэ), а на коллекторный – обратное (Uкб, рисунок 2.2)
/>
Рисунок 2.2.
Для отпирания р-п перехода требуется незначительноенапряжение, поэтому величина Uбэ небольшая, в то время как обратное напряжение наколлекторном переходе может быть существенно больше. Ток, проходящий черезэмиттерный переход, получил название эмиттерного тока. Этот ток равен суммедырочной и электронной составляющих
/>, (2.1)
ІЭп –составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией электронов из областиэмиттера;
ІБр –составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией дырок из области базы.
В транзисторах, как было сказано выше,концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем вэмиттере. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированныхиз эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположномнаправлении. Следовательно, почти весь токчерез эмиттерный переходобусловленэлектронами:
/>. (2.2)
Инжектированные через эмиттерный переход электроны проникаютвглубь базы, частично рекомбинируют и оставшаяся часть достигает коллекторногоперехода.
Электрическое поле этого перехода переносят электроны в областьколлектора.
Ток, возникший в коллекторной цепи:
/>. (2.3)
Последнее упрощение в (2.3) сделано на основетого, что число рекомбинаций незначительно, т.к. база узка и имеет малопримесей. Таким образом, практически весь ток, возникший в цепи эмиттера,переносится в цепь коллектора. Вследствие того, что напряжениев цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенноек эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллекторапрактически равны, следует ожидать, что мощность полезногосигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказатьсянамного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.
Реально ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, т. е.
/>, (2.4)
где ток базы обусловлендвумя составляющими
/>, (2.5)
Если под воздействием Uбэток эмиттера возрастет на некоторую величину, то соответственновозрастут и остальные токи транзистора
/>. (2.6)
Для характеристики соотношений междуприращениями токов электродов вводят так называемые коэффициенты передачи токовэмиттера (α) и коллектора (b) принеизменном напряжений на коллекторном переходе:
/>/>. (2.7)
На практике часто этими коэффициентами определяют и соотношения токовэлектродов на линейном участке их зависимости:
/>. (2.8)
Между введенными коэффициентами существует соотношение:
/>. (2.9)
Обычно α = 0,95… 0,995.
Чем больше коэффициент α,тем меньше отличаются между собой токи коллектора и эмиттера, тем болееэффективно могут быть использованы усилительные свойства транзистора. Учитываяприведенные значения α, становится очевидным, что β>> 1.
Поскольку в цепи коллектора кроме тока,обусловленного прохождением тока эмиттера, протекает также обратный токколлекторного перехода Iкбо, то полный ток коллектора
/> (2.10)
Учитывая, что ток Iкбо повеличине незначителен,
/> (2.11)
Зная величины напряжений,вызвавших изменения соответствующих токов можно определить дифференциальноесопротивление эмиттерного, коллекторного переходов и сопротивление областибазы:
/>/>/>. (2.12)
2.Эквивалентные схемы биполярного транзистора
Для анализа и расчета электрических цепей,содержащих транзисторы, применяют их эквивалентные схемы.
Большинству электронных схемсвойственен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительнобольших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие.В этом случае постоянные и переменные составляющие сигнала могутанализироваться раздельно, причем эквивалентные схемы в основном применяют прианализе переменных составляющих. Они и составляются с учетом незначительностипеременных сигналов, поэтому носят наименование малосигнальных, хотя напрактике достаточно часто используются в качестве первого приближения и прианализе работы схем при больших сигналах. Малосигнальные эквивалентные схемыформируют из линейных элементов, параметры которых получают линеаризациейисходных характеристик транзисторов в окрестности режима работы по постоянномутоку.
Широкое распространениеполучили так называемые Т–образные эквивалентные схемы и схемы на основе представления транзистора в видеактивного четырехполюсника.
Достаточно простой Т-образной схемойявляется так называемая схема в физических параметрах. При ее построенииисходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы и тонкийслой базы, обладаютнекоторыми определенными сопротивлениями,равными соответственно rЭ, rК<sub/>и rБ. Поэтому простейшей эквивалентной схемой транзистора должна служитьцепь, составленная из сопротивлений rЭ,rК<sub/>и rБ, соединенныхмежду собой, как показано на рисунке 2.3, а.
/>
Рисунок 2.2. Эквивалентные Т–образные схемытранзистора:
А – без дополнительного генератора тока; б –для схемы с общей базой; в — схемы с общим эмиттером; г – для схемы собщим коллектором
У современныхтранзисторов в активном режиме работывеличина rЭ<sub/>составляетобычно единицы — десятки Ом, rБ<sub/> –сотни Ом, а rК – сотни тысяч Ом. При заменетранзистора в схеме рисунка 2.2 ток в эмиттерной цепи будет существенно большетока с цепи коллектора. Это не соответствует реальным токам электродовтранзистора. Следовательно, такая схема не может быть эквивалентной. В действительности, как известно, черезсопротивление нагрузки транзисторапроходит ток IК<sub/>≈ αIЭ.Для получения реальных токов в выходную цепь параллельно сопротивлению rквводят источник тока, значения которого определяются током в цепи входногоэлектрода. Так называемый зависимый источник (генератор) тока. Поэтомунеобходимо изменить распределениетока между ветвями эквивалентной схемы. Это можно сделать, подключив в эквивалентной схеме дополнительный генератор,вырабатывающий ток αIЭ(рисунок 2.3, б). Прохождение в выходнойцепи тока этого источника соответствует реальным условиям работы транзисторныхсхем. Наибольшее распространение получили эквивалентные схемы, у которых общимэлектродом для входной и выходной цепей является база (ОБ, рисунок 2.3, б)или эмиттер (ОЭ, рисунок 2.3, в).Чтобы обе эквивалентные схемы были равноценны, необходимо чтобы:
r*К<sub/>= rК<sub/>/ (β + 1). (2.13)
Данноесоотношение получено в результате приравнивания напряжения холостого хода (αiэrк и β iбr*к) в указанных схемах с учетом того, что в режимехолостого хода iб= iб.
Вэквивалентные схемы транзистора введены емкости коллекторного перехода.Несомненно, в то же время коллекторная емкость
C*К = (β + 1) СК (2.14)
Таким образом, в схеме с ОЭактивное и емкостное сопротивления коллекторной цепи значительно (в β +1 раз) меньше, чем для транзистора в схеме с ОБ.
Параметры эквивалентной схемы могутбыть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. Однако расчет невсегда обеспечивает требуемую точность из-за трудности учета контролируемых инеконтролируемых явлений в транзисторе. В свою очередь, при выполненииэксперимента для измерения сопротивлений резисторов необходим доступ к общейточке соединения цепей эмиттера, базы и коллектора практически не в транзисторах.Более удобными для экспериментального определения значений параметров являютсяэквивалентные схемы, построенные на основе представления транзистора в видеактивного четырехполюсника (рисунок 2.4).
/>
Рисунок 2.4.
Во входную цепь транзистораподается сигнал U1, что приводит кпоявлению тока I1. В выходной цепи(на нагрузке Rн) возникаетнапряжение U2 и ток I2. токи инапряжения считаются переменными. Вместо напряжений можно использовать ихприращения DU и DI. В предположении малости сигналоввходные и выходные величины можно связать алгебраическими уравнениями. Взависимости от того, какие из величин стоят по разные стороны знака равенстваиспользуют различные обозначения коэффициентов алгебраических выражений.
Наиболее часто используют выражения,у которых коэффициенты получили обозначения h и y. Коэффициентыобычно называют параметрами, а соответствующие эквивалентные схемы – семами в h — и y-параметрах. Выражениедля определения h-параметров:
/> (2.15)
Коэффициенты уравнений (2.16)равны:
/>. (2.16)
Из этих выражений видно, что
§ h11 и h21 – входноесопротивление и коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) при короткомзамыкании на выходе транзистора;
§ h12 и h22 – параметры, измеряемые при холостом ходе навходе транзистора. h12характеризует степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи транзистора (коэффициентобратной связи по напряжению). h22 –выходная проводимость.
При реализации короткого замыканияна выходе транзистора используют конденсатор, реактивное сопротивление которогона частоте измерения должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки. Длясоздания режима холостого хода по входу в цепь вводят катушку индуктивности,реактивное сопротивление которой должно быть существенно больше входногосопротивления транзистора.
В связис тем, что транзистор имеет всего три электрода его подсоединение к входной ивыходной цепи четырехполюсника может быть осуществлено только в результатеобъединения одного из вводов входной и выходной цепи и подсоединения кобъединенной цепи одного из трех электродов транзистора. В соответствии с этимобщим электродом вводят наименование схемы. Возможно три вида транзисторныхсхем: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общимколлектором (ОК). На рисунке 2.4 показаны две из них – ОБ и ОЭ.Каждая схема будет отличаться входными и/или выходными электродами,следовательно, будут разниться и значения h-параметров. Например, входное сопротивление транзистора (h11) всхеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Этоследует из очевидного неравенства
/>. (2.17)
Поэтому в обозначение h-параметров вводятиндекс, указывающий по какой схеме проводилось его определение. Обычно используютпараметры схем ОБ (индекс Б, например, h11Б) и ОЭ (h21Э). Ниже приведеныформулы пересчета h–параметров, полученных по схеме ОБ,в параметры ОЭ и ОК.
/> (2.18)
/> (2.19)
Между h– параметрами и параметрамитранзистора, соответствующими Т–образным эквивалентным схемам, существует определеннаязависимость. Для схемы с общей базой этазависимость выражается соотношениями
/> (2.20)
Эквивалентная схема транзистора в hЭ-параметрахприведена на рисунке 2.5, а. Так как величина h12 (коэффициент обратной связи по напряжению) у современныхтранзисторов приближается к нулю, то его обычно не вводят в эквивалентную схему(рисунок 2.5, б).
/>
Рисунок 2.5. Эквивалентные схемытранзистора в h-параметрах для включения с ОЭ
ИсточникI1 h21Э эквивалентнойсхемы называют зависимым источником тока, так как значение тока этого источниказависит от тока другой ветви – входного тока (в данном случае тока базы). Этотисточник характеризует усиление входного тока. Аналогично источник напряженияU2 h21Э называютзависимым источником ЭДС. Как было указано выше, он характеризует обратнуюсвязь по выходному напряжению.
Для иных схем включения поменяютсярасположение электродов и индексы при h-параметрах. Такжевозможна иная индексация напряжений и токов. Например, для указанной схемывключения можно внести следующие изменения в индексацию:
/>
Напоминаем, что вместо токов(I) и напряжений(U) в выражении (2.17) можноиспользовать их приращения (DIиDU). Это позволяет определить значениякоэффициентов по входным и выходным характеристикам транзистора (рисунок 2.6).
/>/>
Рисунок 2.6. Определение hБ–параметровтранзистора по входным (а) и выходным (б) характеристикам транзистора.
Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах обычноиспользуется для анализа высокочастотных схем. В этом случае независимымипеременными являются напряжения U1 и U2, а зависимыми –токи I1 и I2. Тогда системууравнений, характеризующих работу транзистора как четырехполюсника, можнопредставить в общем виде:
/> (2.21)
Как и в случае уравнений с h–параметрамивместо приращений токов и напряжений можно использовать сами токи и напряжения(в комплексном виде), считая их незначительными по величине. у-коэффициентысистемы уравнений (2.21) определяются аналогично способам определения h–параметрам (при короткомзамыкании четырехполюсника по входу и выходу или по входным и выходнымхарактеристикам при условиях U1 = 0 или U2 = 0). Коэффициенты(у-параметры) имеют следующий смысл:
· у11 – величинаобратная входному сопротивлению, т. е. входная проводимость при короткомзамыкании по выходу;
· у21 – проводимостьпрямой передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие входного напряженияна выходной ток при коротком замыкании по выходу;
· у12 – проводимостьобратной передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие выходногонапряжения на входной ток при коротком замыкании по выходу;
· у22 – выходнаяпроводимость при коротком замыкании по выходу;
Следует напомнить, что приизмерениях условия короткого замыкания должны реализовываться по переменномутоку.
Эквивалентная схема,соответствующая системе уравнений (2.21) показана на рисунке 2.7.
/>
Рисунок 2.7. Эквивалентная схематранзистора в у-параметрах
3. Статические характеристикитранзистора
Статические характеристики транзистораотражают зависимость между токами и напряжениями на его входе ивыходе.
Для схемы с общим эмиттером статическойвходной характеристикой является график зависимости тока базы IБ от напряжения припостоянном значении напряжении коллектора:
/>
Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером представляют собой зависимости токаколлектора от напряжения междуколлектором и эмиттером при постоянном токебазы:
/>
Типичные входные и выходные статическиехарактеристики транзистора для схемы с общим эмиттеромпоказаны на рисунке 2.8. Она имеет вид обычной характеристике прямоготока р–п перехода, на которую оказывает влияние напряжение на коллекторе. Изрисунка 2.8, а видно, что с ростом напряжения Uкэ ток Iбуменьшается. Это объясняется тем, что приувеличении Uкэ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, переход расширяется, захватывая частьбазы и, соответственно, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в ней ( в соответствии с (2.5) токрекомбинации является частью тока базы).
/>
Рисунок 2.8. Статические характеристики транзисторадля схемы ОЭ: а – входные; б – выходные
Выходные характеристики (рисунок2.8, б) имеютначальный участок быстрого роста, нелинейную зону, переходящую в областьнасыщения.
4. Температурные и частотные свойства транзистора
Диапазон рабочих температур транзисторов,определяемый свойствами р–n переходов, такой же, как и уполупроводниковых диодов. Особенно сильно на работу транзисторов влияет нагреви менее существенно – охлаждение (до минус 60°С). Исследования показывают, чтопри нагреве от 20 до 600С параметры плоскостных транзисторовизменяются следующим образом: rК падает примерно вдвое, rБ–на 15–20 %, а rЭ возрастает на 15–20 %.
Особенно существенное влияние на работу транзистора при нагревеоказывает обратный ток коллекторного перехода, IКБО. Дляпрактических расчетов можно принять, что при повышении температуры на каждые10°С ток IКБО возрастает примерно вдвое.
Нестабильность режима работы транзистора, обусловленная током IКБО,очень существенна, так как обратный ток коллектора в значительной степенивлияет на токи эмиттера и коллектора, а, следовательно, на усилительныесвойства транзистора.
Наиболее часто для работы при повышенных температурах применяютсякремниевые транзисторы. Предельная рабочая температура у этих приборовсоставляет 125… 150°С в то время как для германиевых транзисторов – около 600С.
На частотные свойства транзисторов большоевлияние оказывают емкости эмиттерного и коллекторного р–n переходов. Сувеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и возрастает их шунтирующеедействие. Какуказывалось при составлении Т–образнойэквивалентной схемы транзистора наиболее вредное влияние на работу транзистораоказывает емкость коллекторного перехода Ск, так как онастоит параллельно сопротивлению rк, величина которогозначительна. Поэтому нарушение распределения токов в выходных цепях, котороехарактерно для низких частот, начинает сказываться при более низких значенияхчастоты сигнала: ток зависимого источника b Iбвместо того чтобы поступать в нагрузку начинает замыкаться через емкость Ск.
Второй причиной ухудшения работы транзисторана высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора отпеременного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохожденияносителей заряда через базу, а также инерционностью процессов накопления ирассасывания зарядов в базе. Хотя время пролета носителей через базу незначительное,порядка долей микросекунды, но на частотах порядка единиц – десятков мегагерцстановится заметным сдвиг фаз между переменными составляющими токов Iэи Iк. Это явление иллюстрируется векторнымидиаграммами рисунка 2.9 при различных частотах сигнала.
/>
Рисунок 2.9. Векторные диаграммы токов транзистора на разных частотах
С изменением частоты будет изменяться также величинафазового сдвига выходного тока транзистора по отношению к входному. Выражение (2.4) должно соблюдаться ипри векторной форме представления токов. Поэтому при сдвиге по фазе междутоками эмиттера и коллектора ток базы увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента β (см. выражение (2.9)) с ростомчастоты сигнала.
Необходимо отметить, что с увеличениемчастоты коэффициент bуменьшается значительно сильнее, чем α. Коэффициент αснижается лишь вследствие влияния емкости Ск,а на величину β влияет, кроме этого, еще и сдвиг фазмежду Iэ и Iк. Следовательно,схема с общей базой имеет лучшие частотные свойства, чем схема собщим эмиттером.
Для определения коэффициентов усиления по токуна частоте f могут быть использованы формулы:
/> (2.22)
гдеfα и fb –частоты, на которых коэффициенты усиления по току b или α уменьшается до0,7 (в √2 раз) своего значения на низких частотах(bили α0).
Оценивая частотные свойства транзистора, следует учитывать также,что диффузия – процесс хаотический. Носители зарядов, инжектированныеэмиттером в базу, передвигаются в ней разными путями. Поэтому носители, одновременно вошедшие в область базы, достигаютколлекторного перехода в разное время. Таким образом, закон изменения токаколлектора может не соответствовать закону изменения тока эмиттера, что приводитк искажению усиливаемого сигнала. Следует подчеркнуть вполне очевиднуювещь, что чем тоньше база, тем в меньшей степени искажается сигнал навыходе и допускается работа транзистора на более высоких частотах. Поэтому, чемболее высокочастотный транзистор, тем тоньше у него должна быть база.
Классификациябиполярных транзисторов. Выпускаемые промышленностью дискретные биполярныетранзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотнымсвойствам.
По мощности они подразделяются намаломощные (Рвых £ 0,3 Вт), среднеймощности (0,3 Вт< Рвых £ 1,5 Вт) и мощные(Рвых > 1,5 Вт); по частотным свойствам – нанизкочастотные (fα £ 0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц< fα £ 3 МГц), высокой частоты (3 МГц < fα £ 30 МГц) и сверхвысокой частоты (fα > 30 МГц).,
5. Эксплуатационные параметры транзистора
Транзистор, как и любой другой электронныйприбор, характеризуется рядом эксплуатационных параметров, предельные значениякоторых указывают на возможности практического применения тогоили иного транзистора.
К числу таких параметров относятся:
Максимально допустимая мощность Pkmax,рассеиваемая коллектором.
В общем случае мощность,рассеиваемая транзистором, складывается мощностей, рассеиваемых каждым р–nпереходом:
Р= Рк + Рэ = Iк Uкб + IэUэб.
Обычно в усилительном режиме
/>
При недостаточном теплоотводе разогревколлекторного перехода может привести к резкому увеличению тока Iк.Это в свою очередь приводит к возрастанию мощности, рассеиваемойна коллекторе, и к еще большему нагреву коллекторногоперехода. Процесс приобретает лавинообразный характер, итранзистор необратимо выходит из строя. Следует учитывать также,что при повышении температуры окружающей среды предельно допустимаямощность уменьшается. Поэтому необходимо тщательно следить за режимомработы транзисторов, исключая внешний нагрев прибора, особенноработающего при повышенных мощностях.
Максимально допустимый ток коллектора.
Транзистор может выйти из строя припревышении тока коллектора свыше определенных пределов. Процесс разрушения обусловленнеравномерным прохождением тока по площади р-п перехода, местным сразогревом и последующим прожиганием.
Максимально допустимое напряжение междуколлектором и общим электродом транзистора (Uкэ maxили Uкб max).
Это напряжение определяетсявеличиной пробивного напряжения перехода. Кроме того, оно зависит отмощности, тока коллектора и температуры окружающей среды.
Из соображений надежности работы схемы нерекомендуется использовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70% их наибольших допустимых значений. Следует, однако, отметить, что при работев ключевом режиме значительная мощность выделяется на транзисторетолько в течение перехода из открытого состояния к запертому иобратно (на активном участке характеристики). Поэтому среднее запериод значение мощности, рассеиваемой в транзисторе,относительно невелико, что позволяет допускать мгновенные значения токов коллектора иэмиттера в 2 – 3 раза больше паспортных,предельных для режима усиления значений, не опасаясь перегрева транзистора.
Предельная частота усиления по току –частота, при которой коэффициент усиления по току b или α уменьшается до0,7 (в √2 раз) своего значения на низких частотах.
Выше перечислены лишь наиболее важные эксплуатационныепараметры транзисторов. В паспортах транзисторов и справочникахуказывается ряд других параметров: максимально допустимый токбазы, обратный ток эмиттера, максимально допустимый импульсныйток коллектора, напряжение насыщения коллектор-эмиттер,емкость коллекторного перехода, максимальная температура работы транзистора и т.д.
6. Полевые транзисторы
Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, усилительные свойства которогообусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал, а управление величиной тока осуществляется поперечнымэлектрическим полем, создаваемым напряжением,приложенным к управляющему электроду.Проводящий слой называют каналом, управляющий электрод – затвором.
Полевой транзистор–полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (какбиполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название –полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сеченияпроводящего канала, в результате чего изменяется выходной ток транзистора.Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического входноготока, что позволяет уменьшить мощность, требуемую для управления транзистором.
Полевой транзистор (ПТ) в отличие от биполярного иногда называют униполярным,так как его работа основана на использовании только основных носителей зарядаодного типа – либо электронов, либо дырок. Поэтому в полевых транзисторахотсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объемного заряданеосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярныхтранзисторов.
Два электрода наторцах канала называются истоком (И) и стоком (С).Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого присоответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступаютосновные носители заряда, а стоком – тот, через который эти носители уходят изканала.
Подобнобиполярному транзистору в зависимости от того, какой из выводов является общимдля входных и выходных цепей, различают три схемы включения полевоготранзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общимстоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.
Все ПТ по своим конструктивным особенностям можно разделить на две группы:
1) полевые транзисторы с управляющим р-п переходом(канальные, или униполярные транзисторы);
2) полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП — или МОП-транзисторы).
На рисунке 2.10 приведены схематическоеизображение конструкции полевого транзистора с управляючимр-п переходоми схема еговключения[1]. Канал образован тонким слоемполупроводника одного типа проводимости – в случае проводимостью n типа[2]. На торцах каналарасположены два электрода, образующие омические выводы дляподсоединения к внешним электрическим цепям. Один из нихназывается истоком (И), а второй – стоком (С). Всредней части канала расположена небольшая зона полупроводника р типа,образующая с каналом р-п переход. Вывод,подсоединенный к областям ртипа,является управляющим электродом и называется затвором (З). Выводы И, С и Зсоответствуют (в порядке перечисления) катоду, аноду и сеткеэлектровакуумного триода или эмиттеру, коллектору и базеобычного биполярного транзистора.
/>
Рисунок 2.10. Схематическое изображение конструкции и схема включения полевого транзистора с управляющим р-n переходом
Величина тока в канале зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком, нагрузочного сопротивленияи сопротивления канала (полупроводниковойпластинки между стоком и истоком). Припостоянных источнике Еc и Rн токв канале Iс (ток стока) зависит только от электрического сопротивления канала, которое, всвою очередь определяется длиной и эффективной площадью поперечного сеченияканала. На р-п переход с помощью источника Езиподается обратное напряжение, что приводит к увеличению толщиныр-пперехода,уменьшению сечения канала и увеличению сопротивлениямежду истоком и стоком. Изменение величины обратного напряжения в соответствиис входным сигналом приводит к модуляции сопротивления канала,изменению тока стока и появлению сигнала на нагрузочном сопротивлении Rн. Присоответствующем подборе величины Rнможно добиться повышения уровня выходного напряжения по сравнению с напряжениемна входе, т.е. усилить сигнал.
Полевыетранзисторы, подобно биполярным, могут быть охарактеризованы входными ивыходными характеристиками. Однако для полевых транзисторов входнаяхарактеристика (зависимость IЗ от UЗИпри фиксированном значении UСИ) не имеетпрактического применения так как описывала бы незначительные измененияобратного тока p-n перехода. Поэтому и при расчетах используют толькопередаточные и выходные ВАХ. На рисунке 2.11 приведены выходные ипередаточные (зависимость тока стока от напряжения на затворе) характеристикиполевого транзистора с управляющимp-n переходом для схемы включения с ОИ.
/>
Рисунок 2.11.Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющимp-n переходом (схема ОИ): а – выходные; б – передаточные (входные)
Пусть напряжение между затвором и истоком Uзи= 0. При увеличении положительного напряжения Uсина стоке ток Iс будет нарастать. Вначале зависимостьIc = f(Uc) будет почти линейной. Однако свозрастанием Iс увеличивается падение напряжения наканале (Uс= IcRк, где Rк – сопротивление канала).Это напряжение распределяется вдоль канала: вблизи истока оно равно нулю, авблизи стока – максимальной величине. На р-n переходе, несмотря нанулевой потенциал затвора, появляется обратное смещающее напряжение, величинакоторого нарастает по направлению к истоку, что ведет к сужению сечения токопроводящегоканала и замедляет рост токаIс.В конечном итоге, при дальнейшемросте стока, у стокового конца канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к росту Iс.Этот режим получил наименованиеназвание режима насыщения, а напряжение Uc, при котором происходитнасыщение, называется напряжением насыщения(Uс. нас).
При подаче назатвор обратного напряжения (для ПТ с каналом п типа, какуказывалось ранее, оно будет отрицательным по отношению к истоку) канализначально будет сужен. Поэтому начальный участок зависимости Ic = f(Uc)пойдет с меньшим наклоном и насыщение наступит при меньших токах стока.
Напряжение насыщенияравно Uси нас= Uзи– Uзи отс, где Uзи отс – напряжениеотсечки, управляющее напряжение, при котором Iс = 0 (режимотсечки), а Uзи – управляющеенапряжение, соответствующее рассматриваемой ВАХ транзистора.
При дальнейшем увеличениивыходного напряжения ток Iс практически остаетсянеизменным вплоть до пробивного напряжения Uси проб. Как видно изрисунка.2.11, а с уменьшением напряжения Uзи пробивноенапряжение транзистора Uси проб уменьшается. Приэтом (с учетом знака Uзи) всегдавыполняется равенство
/> (2.23)
Привходном напряжении Uзи= Uзи отс, соответствующем обратному напряжению наp-n переходе(затвор–исток) при котором токопроводящий канал транзистора будет полностьюперекрыт, выходной ток Iс транзистора будет равен нулю (рисунок 2.11, б).
При Uзи > Uзи отс в токопроводящем канале появляетсяпроток и по нему от стока к истоку начинает протекать ток Iс. Зависимость Iс = F(Uзи)при Uc– const получила названиестокозатворной характеристики.Выходные характеристики ПТ также часто называют стокостоковымиили, просто, стоковыми.
Полевые транзисторы с изолированным затворомимеют структуру металл–диэлектрик (окисел)–полупроводник. Поэтому, ихчасто называют МДП — или МОП-транзисторами.
На рисунке 2.11 приведены схематическиеизображения конструкций таких транзисторов с каналами птипов. Основой прибора служит пластинка (подложка) монокристаллическогокремния р типа. Области истока и стока представляют собой участкикремния, сильно легированные примесью n типа[3].
Расстояние между истоком и стоком примерно 1 мкм. На этом участке (рисунок 2.11, а) расположена узкаяслабо легированная полоска кремния птипа (канал). Затвором служит металлическая пластинка, изолированнаяот канала тонким слоем диэлектрика (толщиной долей микрометра). В качестведиэлектрика наиболее часто используют пленкадвуокиси кремния, образованная изматериала подложки при высокой температуре. В последнее время в качестведиэлектрика применяют другие материалы, например, нитрид кремния.
/>
Рисунок 2.12. Схематическое изображение ПТс изолированным затвором
Электрическое поле, возникающее отнапряжения, приложенного к затвору, поникает в поверхностныйслой подложки. В зависимости от полярности этого напряжения вканал может либо притягиваться, либо выталкиваться часть основных носителейзаряда канала (на приведенном рисунке это электроны). При отрицательном напряжениина затворе электроны проводимости выталкиваются из области канала в объем полупроводникаподложки. При этом канал обедняетсяносителями заряда, что ведет к уменьшению тока в канале. Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов проводимости из подложки вканал. В этом режиме, получившемназвание режима обогащения, ток канала возрастает.
/>
Рисунок 2.12.Передаточная (а) ивыходная (б) ВАХ МДП-транзисторасо встроеннымn каналом
Таким образом, в отличие от полевоготранзистора ср-п переходамитранзистор с изолированнымзатвором может работать с нулевым, отрицательным или положительнымнапряжением на затворе (рисунок 2.12, а). Управляющее напряжение на затворе,при котором Iс =0, также как у ПТ суправляющимр-п переходом, называетсянапряжениемотсечки.
Выходные характеристики полевоготранзистора с изолированным затвором (рисунок 2.12, б)имеют такой же вид, как ихарактеристики транзистора ср-п переходами. Различие заключается лишь в том, что транзисторы ср-п переходоммогутработать только в режиме обеднения(сужения) канала, а транзисторы типа МДП (или МОП)работают как в режиме обеднения (при отрицательных напряжениях назатворе), так и в режиме обогащения (при положительныхнапряжениях на затворе).
Рассмотренныйтип ПТ с изолированным затвором получил наименование МДП(или МОП) транзисторов со встроенным каналом.Канал у него был введен (встроен) в процессе изготовления. Если же между зонамип+ под истоком и стоком отсутствует канал, то принулевом потенциале на затворе на пути от истока к стоку окажутся два встречновключенныхp-n перехода. Поэтому при подаче напряжения между стоком иистоком любой полярности выходной ток Iс окажется ничтожно мал (примерноравен обратному токуp-n перехода). Если к затвору приложить небольшоеположительное напряжение Uзи, то под действием поля из подложки к поверхности начнутпритягиваться электроны дырки, а дырки – выталкиваться в глубину. Приопределенном положительном напряжении (Uзи пор), которое получило наименование порогового,в подложке под затвором образуется обогащенный электронами поверхностный слой,который замкнет области под стоком и истоком. Последующее повышение напряженияна затворе приведет к тому, что по образовавшемуся каналу потечет ток стока.Такой тип ПТ с изолированным затвором носит наименование МДП (или МОП)транзисторов с индуцированным каналом.
/>
Рисунок 2.12.Передаточные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора синдуцированным каналом
Напряжение назатворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым (Uзи пор). Если выбратьподложкуn типа, а области истока и стока сделать р+ типа, тополучится МДП-транзистор с индуцированным р каналом.
Передаточные ивыходные ВАХ для МДП-транзистора при включении с ОИприведены на рисунке 2.12. Выходные характеристики приведены только дляиндуцированного каналаn типа. На графике стокозатворной характеристикепоказан ход зависимости для МДП-транзисторов с индуцированным каналом ртипа. При этом учтено, что направление тока стока для такого транзисторабудет противоположным направлению тока у МДП-транзисторов синдуцированным каналом п типа.
Температурныесвойства полевых транзисторов. Как ранее было отмечено, что ток полевыхтранзисторов обусловлен перемещением носителей заряда канала, т.е. онопределяется концентрацией основных носителей. Однако известно, чтоконцентрация основных носителей в полупроводнике почти не зависит оттемпературы, обусловливается концентрацией примесей. Поэтому и свойства ПТслабо изменяются с изменением температуры.
От температурызависят напряжение отсечки и пороговое напряжение. Это обусловлено действием в ПТдвух противоположных механизмов, происходящих при изменении температуры.
У полевоготранзистора с управляющимp-n переходом при повышении температурыокружающей среды растет собственное сопротивление полупроводникового материала,что приводит к уменьшению тока стока. Этот эффект особенно сильно проявляетсяпри больших токах стока. Однако увеличение температуры ведет к уменьшениютолщиныp-n перехода, что расширяет канал. Последнее вызывает увеличениетока стока, что особенно заметно при малых его значениях. Поэтому при увеличениитемпературы стокозатворная (передаточная) характеристика становится болеепологой, а напряжение отсечки увеличивается. При некоторых значениях тока стокаоба фактора компенсируют друг друга и величина тока стока не зависит отизменения температуры.
Для МДП-транзисторас увеличением температуры также характерно уменьшение тока стока, чтообъясняется ростом собственного сопротивления полупроводника. В то же время увеличениетемпературы ведет к увеличению числа пар электрон – дырка в канале, т.е. кувеличению концентрации носителей заряда. Это способствует росту тока стока,особенно при небольших его значениях. Следовательно, и в МДП-транзисторесуществуют две противоположные тенденции, которые приводят к изменениямпередаточной характеристики, наблюдаемым и у ПТ с управляющим переходом(рисунок 2.13).
/>
Рисунок 2.13.Зависимость передаточных характеристик полевого транзистора от температуры
Следствием этогоявляется наличие на передаточной характеристике прибора точки (Hна рисунке), длякоторой ток стока не зависит от изменения температуры окружающей среды.
Основными параметрами полевых, транзисторов являются:
Крутизна характеристики:
/> (2.24)
Этот параметр характеризует эффективностьуправляющего действия затвора.
Выходное сопротивление Rвых<sub/> (определяется в режиме насыщения):
/> (2.25)
Выходное сопротивление характеризуетсятангенсом угла наклона выходных характеристик. В рабочей области этот уголблизок к нулю и, следовательно, выходное сопротивление оказывается достаточно большим(сотни килоом).
Статический коэффициент усиления:
/> (2.26)
Эти параметры связаны между собойсоотношением:
/> (2.27)
Напряжение отсечки (пороговоенапряжение для ПТ с индуцированным каналом)– обратное напряжение на затворе, прикотором токопроводящий канал окажется перекрытым.
Кроме указанных, полевые транзисторы, подобнобиполярным, характеризуются рядом максимально допустимых параметров,определяющих предельные режимы работы прибора.
Эквивалентныесхемы полевых транзисторов. Рассмотрим наиболее распространенные схемы замещенияполевых транзисторов. На рисунке 2.14 приведены схемы замещения ПТ. Вэтих схемах принято, что вывод подложки электрически соединен с истоком. Такоевключение наиболее часто используется при разработке схем на ПТ.
/>
Рисунок 2.14.Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющимp-n переходом (а)и изолированным затвором (б)
Следует отметить,что входное и выходное сопротивления ПТ носят явно выраженный емкостныйхарактер, т.к. конструкция полевого транзистора обуславливает наличие большихвходных и выходных емкостей. Поэтому увеличение частоты входного сигналаприводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевомтранзисторе. При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевоготранзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентноснижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общемслучае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор,как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.
К важнейшим достоинствам полевых транзисторовследует отнести:
1. Высокоевходное сопротивление, достигающее в канальных транзисторах ср-п переходомвеличины 108–109 Ом, а в транзисторах с изолированнымзатвором 1013 – 1016 Ом. Такое высокое значениевходного сопротивления объясняется тем, что в первыхуправляющий переход включен в обратном направлении, а в транзисторахс изолированным затвором входное сопротивление определяется оченьбольшим сопротивлением утечки диэлектрического слоя.
2. Малый уровень собственных шумов, т.к. в полевых транзисторахв формировании тока участвуют заряды только одного знака, что исключаетпоявление рекомбинационного шума.
3.Высокая устойчивость к температурным и радиоактивным воздействиям.
4. Высокаяплотность расположения элементов при использовании приборов винтегральных схемах.
Полевые транзисторы могут быть использованы всхемах усилителей, генераторов, переключателей. Особенно широкоприменяются они в малошумящих усилителях с высоким входным сопротивлением.Весьма перспективным является также использование их (сизолированным затвором) в цифровых и логических схемах.