Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
47-
О. Э.
О. Б.
0
0,25
0,5
0,75
1`
●
●
+
-
+
-
затвор
сток
p
Исток
n
p
Контактная пластина
канал
изолятор
сток
исток
Контактная пластина
подложка
p
затвор
В.Н. Станевко
Электронные полупроводниковые
приборы
(Конспект лекций)
2009 г.
Содержание
1. Образование p – n перехода и его свойства.
1.1. Полупроводник, виды проводимости в полупроводнике, рекомбинация в полупроводнике.
1.2.Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика.
1.3. Схема замещения, частотные и температурные свойства p – n перехода.
2. Полупроводниковые диоды.
2.1 Понятие, конструкции p – n перехода диодов, маркировка диодов.
2.2 Выпрямительный диод
2.3 Высокочастотный диод
2.4 Импульсный диод
2.5 Стабилитрон
2.6 Стабистор
2.7 Варикап
2.8 Тунельный диод
3. Транзисторы
3.1 Типы транзисторов, классификация, маркировка транзисторов.
3.2. Биполярные транзисторы.
3.2.1. Устройство, конструкция, принцип действия биполярного
транзистора.
3.2.2. Схемы включения биполярного транзистора.
3.2.3 Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.
3.2.4 Динамические характеристики биполярного транзистора, включённого
по схеме с ОЭ.
3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.
3.2.6 Эквивалентные схемы биполярного транзистора
3.2.7 Параметры биполярного транзистора.
3.2.8 Составной биполярный транзистор.
3.3 Полевой транзистор.
3.3.1 Понятие, элементы и типы полевых транзисторов.
3.3.2 Конструкции и принцип действия полевых транзисторов.
3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.
3.3.4 Вольтамперные характеристики полевых транзисторов.
1. Образование р-n перехода и его свойства
1.1 Полупроводник, виды проводимости в полупроводнике, рекомбинация в полупроводнике.
При оценке свойств любого вещества одним из основных понятий является его валентность. Она характеризуется числом свободных электронов на внешней орбите атома вещества. Основываясь на валентности, все вещества подразделяются на проводники, изоляторы и полупроводники. Вещества, обладающие свойствами проводника, имеют валентность меньше четырёх. Вещества, имеющие валентность более четырёх обладают свойством изолятора. Вещества с валентностью равной четырём называется полупроводниками.
Одним из главных свойств любого вещества является его удельное электрическое сопротивление, которое для проводника, полупроводника и изолятора соответственно лежит в следующих интервалах:
ρпров.=10-6 ÷ 10-4 Ом·см.
ρn/n=10-4 ÷ 1010 Ом·см.
ρизол.= 1010 ÷ 1015 Ом·см.
Как видно, по величине удельного электрического сопротивления полупроводники занимают среднее положение между проводниками и изоляторами.
Для изготовления современных полупроводниковых приборов применяются кремний, германий, арсенид галлия и индий.
Электропроводящие свойства проводника определяются наличием в нём заряженных частиц, передвигающихся под действием электрического поля. В проводнике такими заряженными частицами являются электроны. Иногда проводимость, создаваемая электронами, называется электронной проводимостью.
В полупроводнике кроме электронной проводимости имеет место дырочная проводимость. При этом каждая из этих проводимостей может быть собственной и примесной (рисунок 1.1)
Рисунок 1.1 – Виды проводимости в полупроводниках
Рассмотрим понятия электронной и дырочной проводимости. Электронная проводимость определяется движением электронов. Из-за отрицательного заряда электрона эта проводимость называется проводимостью типа–n от английского слова negative – отрицательный. Механизм создания дырочной проводимости состоит в следующем (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Механизм создания дырочной проводимости
В некоторый момент времени t1 электрон под действием поля E, сходит с внешней орбиты атома и атом превращается в ион с положительным зарядом. В этом случае говорят, что появилась «дырка», (на рисунке 1.2 заштриховано), имеющая положительный заряд, т.е. свободное место для электрона. Под действием электрического поля Е в момент времени t2 электрон сходит с внешней орбиты близлежащего атома и занимает место «дырки». Произошло как бы перемещение «дырки». В следующий момент времени t3 электрон с соседнего атома занимает место этой «дырки» и создаётся «дырка» в другом атоме. Перемещение «дырки» продолжается. Так как «дырка», как ион, имеет положительный заряд, то этот вид проводимости был назван проводимостью типа–p от английского слова positive – положительный.
Собственная и примесная проводимость. Если полупроводник химически чистый (без примесей), то число свободных электронов равно числу дырок. В полупроводнике тогда имеет место и электронная и дырочная проводимость. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.
Собственная проводимость не позволяет создать полупроводниковые приборы с нужными свойствами. Необходимо, чтобы в полупроводнике преобладала электронная или дырочная проводимость. Этого можно достичь, если в полупроводник ввести примесь. В качестве примесных материалов используются мышьяк, висмут, алюминий, галий, индий. В этом случае проводимость называется примесной. Примеси, вызывающие увеличение числа электронов, а значит создающие проводимость типа–n, называются донорными. Такими примесями являются мышьяк и висмут. Примеси, вызывающие увеличение числа «дырок», а значит создающие проводимость типа–p, называются акцепторными. Таким примесями являются алюминий, галий, индий.
Основные и не основные носители. Те носители зарядов в полупроводнике с примесью, которых больше и которые определяют тип проводимости, называются основными носителями. Тогда носители противоположных зарядов, которых значительно меньше основных носителей, называются неосновными носителями. Например, в полупроводнике типа–p основными носителями являются «дырки», а не основными электроны.
В полупроводнике, как отмечалось, периодически происходит объединение электронов и «дырок». Этот процесс называется рекомбинацией. В установившемся режиме, например, когда температура окружающей среды не измена, число генерированных носителей зарядов равно числу рекомбинированных, и концентрация носителей зарядов остаётся неизменной или равновесной. При изменении условий, например, той же температуры окружающей среды, это равновесие нарушается.
1.2 Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика.
При соприкосновении (присоединении) двух полупроводников из одного материала (кремний или германий и т.д.), но с различной проводимостью в месте их соединения появляется участок с особыми свойствами, который называется p–n переходом. Итак, p–n переходом называется область, лежащая в зоне соединения двух полупроводников из одного материала, но имеющих разную проводимость. На рисунке 2.1,а показана конструкция p–n перехода, типы проводимостей полупроводников и их основные носители зарядов.
Рисунок 2.1 – Конструкция p-n перехода (а), модель конденсатора (б)
Как говорилось выше, в полупроводнике типа–p высокая плотность положительно заряженных частиц, а в полупроводнике типа–n высокая плотность отрицательно заряженных частиц. При соединении этих полупроводников возникает диффузионный процесс заряженных частиц. В результате положительно заряженные частицы из полупроводника типа–p проникают в полупроводник типа–n, а отрицательные частицы из полупроводника типа–n проникают в полупроводник типа–p. В окрестности соединения полупроводников происходят рекомбинационные процессы, т.е. взаимная нейтрализация положительных и отрицательных частиц. В результате этого в этой зоне концентрация заряженных частиц становится очень низкой и по электрическим свойствам приближается к диэлектрику. На рисунке 2.1,а этот участок заштрихован как диэлектрик и его принято называть запирающим слоем. Толщина запирающего слоя обозначается буквой d. Электрическое сопротивление запирающего слоя составляет около 200 Ом, а сопротивление полупроводников p и n–проводимостей составляет около 5 Ом.
Однако, не все заряженные частицы рекомбинируются. Часть из них проникает в тело полупроводника за границы запирающего слоя, скапливаются там и создают объёмный заряд. В результате по границам запирающего слоя создаются объёмные заряды в полупроводнике типа–p отрицательной полярности, а в полупроводнике типа–n положительной полярности и между ними возникает электрический потенциал, препятствующий (тормозящий) диффузионному процессу. В результате диффузионного процесса происходит нарастание объёмных зарядов, что приводит к увеличению разности потенциала между ними, а значит, к увеличению электрического поля, препятствующее диффузионному процессу. При определённом значении величин объёмных зарядов тормозящее электрическое поле становится на столько значительным, что заряженные частицы не могут преодолеть его, и диффузионный процесс останавливается. Разность между потенциалами объёмных зарядов принято называть потенциальным барьером и обозначать как Δφ. Величину потенциального барьера ещё называют контактной Э.Д.С. и обозначают как Ек. Величина контактной Э.Д.С. зависит от количества примесей в полупроводниках. Увеличение количества примесей увеличивает число основных носителей, а значит, увеличивает Ек. Обычно величина контактной Э.Д.С. составляет десятые доли вольт и имеет значения:
Ек=0,3÷0,7 В.
Необходимо отметить, что установившееся равновесие, отображающееся в ширине запирающего слоя и величине контактной Э.Д.С., носит режим динамического равновесия. Так часть заряженных частиц, формирующих объёмный заряд, рекомбинируют, что приводит к снижению величины объёмного заряда, а значит к снижению потенциального барьера. Это снижает тормозящее действие поля, что создаёт условие для дополнительного проникновения заряженных частиц в объёмные заряды и восстановления их до прежнего уровня. Аналогичные динамические процессы имеют место и в запирающем слое.
В установившемся динамическом режиме p–n переход, как было рассмотрено, характеризуется наличием запирающего слоя с изоляционными свойствами и расположенными с обеих сторон от него объёмными зарядами с противоположными знаками. Это всё вместе свойственно и конденсатору (рисунок 2.1,б), который состоит из двух пластин, между которыми находится изоляция, а на пластинах которого находятся заряды противоположной полярности. В связи с этим p–n переход характеризуется ещё определённой электрической ёмкостью, которую принято называть барьерной ёмкостью и обозначать Сб.
Итак, как следует из рассмотренного, p–n переход характеризуется наличием запирающего слоя, потенциального барьера и барьерной ёмкостью.
При лабораторных условиях эксплуатации приборов температура такова, что некоторое число основных носителей зарядов в каждой из областей обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера и перехода из одного полупроводника в другой. Образуются соответственно электронная (In диф) и дырочная (Ip диф) составляющие диффузионного тока. Электрическое поле, создающее потенциальный барьер для основных носителей, является ускоряющим для неосновных носителей, которые проходят через p–n переход и создают электронную (In др) и дырочную (Ip др) составляющие дрейфового тока. Диффузионный и дрейфовый токи имеют противоположные направления. В изолированном полупроводнике (без внешней цепи) результирующий ток должен равняться нулю, т.е. устанавливается динамическое равновесие токов, чему соответствует следующее уравнение:
In – In др + Ip – Ip др = 0 (1.1)
Вольтамперная характеристика.
Электрические свойства p-n перехода определяются полярностью приложенного напряжения. Различают прямое и обратное включение p-n перехода. Под прямым включением понимается такое, при котором положительный потенциал источника подключен к полупроводнику с положительной проводимостью (типа–p), а отрицательный потенциал источника подключен к полупроводнику с отрицательной проводимостью (типа–n). Изменение полярности подключения источника к p–n переходу приводит к обратному его включению. Рассмотрим электрические процессы в p–n переходе при прямом и обратном включении.
На рис 2.2,а показано прямое включение p–n перехода.
Рисунок 2.2 – Прямое включение (а) и В.А.Х. при прямом включении (б) p-n перехода
Рассмотрим электрические процессы при изменении приложенного прямого напряжения Unp от нулевого до некоторого значения. Прямое напряжение направлено встречно контактному Э.Д.С. Ек.
Если Unp<Ek, то величина потенциального барьера уменьшается. Это приводит к переходу через p–n переход основных носителей, что вызывает ток через p–n переход и во внешней цепи. Следовательно, увеличивается число основных носителей, проникающих через p–n переход, т. е. возрастает диффузионный ток p–n перехода и прямой ток будет равен разности диффузионного тока и дрейфового тока
Inp = Iдиф – Iдр > 0
Во внешней цепи появляется ток малой величины (рисунок 2.2,б; точка а). При уменьшении потенциального барьера уменьшается ширина запирающего слоя d и уменьшается его омическое сопротивление из-за увеличения в нём числа заряженных частиц.
Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к устранению потенциального барьера и вызывает заметное увеличение числа основных носителей заряда, проходящих через p–n переход, а значит, увеличивается ток во внешней цепи. Исчезает (рассасывается) запирающий слой и теперь сопротивление p–n перехода определяется контактным сопротивлением двух полупроводников, которое равно около 0,5 Ом и омическим сопротивлением ПП (рисунок 2.2,б; точка б). В этом случае сопротивление всей цепи определяется сопротивлением полупроводниковой области каждого из полупроводников и, с учётом контактного сопротивления, равно 5*2+0,5=10,5 Ом. Учитывая, что контактное сопротивление имеет малое значение и его величиной обычно пренебрегают.
Дальнейшее увеличение прямого напряжения вызывает увеличение тока в цепи, значение которого определяется по закону Ома и зависит от величины Unp и величины омического сопротивления полупроводников (рисунок 2.2,б; участок б–в). График представленный на рисунке 2.2,б называется вольтамперной характеристикой p–n перехода при прямом включении.
При обратном включении p–n перехода (рисунок 2.3,а) положительный потенциал источника подключается к полупроводнику с отрицательными основными
Рисунок 2.3 – Обратное включение (а) и В.А.Х. при обратном включении (б) p-n перехода
носителями (проводимость типа–n), отрицательный потенциал источника подключается к полупроводнику с положительными основными носителями (проводимость типа–p). В этом случае направление контной Э.Д.С. (Ек) и приложенного обратного напряжения (Uобр) совпадают. Величина потенциального барьера в зоне контакта полупроводников равна сумме этих напряжений. Увеличение Uобр от нулевого значения вызывает увеличение числа неосновных носителей, проходящих через p–n переход, что ведёт к некоторому увеличению обратного тока (рисунок 2.3,б; участок о–а). Не останавливаясь на подробностях физических процессов, следует отметить, что при обратном напряжении увеличивается ширина запирающего слоя и его омическое сопротивление. На этом интервале большая часть неосновных носителей (которых на много меньше числа основных носителей) участвует в создании обратного тока. Дальнейшее увеличение обратного напряжения незначительно увеличивает обратный ток (рисунок 2.3,б; участок а–б). Последующее увеличение обратного напряжения вызывает внутреннюю электростатическую эмиссию (зенеровский пробой), т.е. срыв электронов с внешних орбит с последующей ударной ионизацией (лавинный пробой). В полупроводниках появляется большое число неосновных носителей, что ведёт к возрастанию обратного тока. Следствием его может быть разогрев полупроводника и его тепловой пробой (тепловое разрушение).
На рисунке 2.4 приведена вольтамперная характеристика p–n перехода при прямом и обратном напряжении. Из неё видно, что p–n переход при прямом напряжении имеет малое сопротивление.
Рисунок 2.4 – Вольтамперная характеристика p-n перехода
Это приводит к тому, что при малом прямом напряжении (доли и единицы вольт) через него протекает большой ток. При обратном напряжении сопротивление p–n перехода велико и при десятых вольт ток не превышает доли ампер. Это свойство p–n перехода называется свойством однонаправленности – пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в обратном направлении, т.е. иметь малое сопротивление при одной полярности напряжения (прямое включение) и иметь высокое сопротивление при противоположной полярности напряжения (обратное включение).
Сравнивая электрические свойства p–n перехода кремния и германия (рисунок 2.5) следует отметить, что при положительном напряжении В.А.Х. кремния более крутая чем у германия.
Рисунок 2.5 – Сравнительные В.А.Х. p-n перехода для кремния и германия
Обратный ток у кремния заметно меньше обратного тока германия. Эти свойства учитываются как при построении ПП приборов, так и при применении ППП одного типа, но выполненных из разных материалов.
1.3 Схема замещения, частотные и температурные свойства p–n перехода.
Каждый полупроводниковый прибор (диоды, транзисторы) содержит хотя бы один p–n переход. При расчёте электрических цепей, содержащих полупроводниковый прибор, последний должен быть представлен в виде схемы замещения, которая отображает его свойства. Основой схемы замещения полупроводникового прибора является схема замещения p–n перехода (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 – Схема замещения p-n перехода
В схеме замещения через rp и rn обозначены сопротивления участков полупроводников до p–n перехода соответственно для полупроводников с проводимостью типа–p и типа–n. Через rд обозначается сопротивление p–n перехода, величина которого зависит от полярности приложенного напряжения, как было рассмотрено выше. Через Сб обозначается барьерная ёмкость p–n перехода.
Наличие барьерной ёмкости в p–n переходе влияет на его частотные свойства. При работе полупроводникового прибора к его p–n переходам прикладывается переменное напряжение с определенной частотой. Как известно, сопротивление конденсатора определяется по формуле:
, где
На низких частотах при обратном напряжении rд << xc и сопротивление параллельно соединенных rд и Cб определяется сопротивлением rд (т. к. сопротивление xc → ∞). Этому случаю соответствует В.А.Х. p–n перехода на рисунке 1.8 при f1. В этом случае p – n переход сохраняет свои однонаправленные свойства.
Рисунок 1.8 – Влияние частоты сигнала на вид В.А.Х. p-n перехода
При увеличении частоты сигнала сопротивление барьерной емкости уменьшается, что ведет к возникновению обратного тока через нее. В результате полный обратный ток между выводами схемы замещения p–n перехода будет равен сумме токов через rд и Cб. Это ведет к увеличению обратного тока. Дальнейшее увеличение частоты ведет к еще большому увеличению обратного тока, что приводит к ухудшению однонаправленных свойств p–n перехода. В связи с этим для каждого полупроводникового прибора указывается максимально допустимая частота, при которой, входящие в него p–n переходы не теряют однонаправленные свойства, т.е. обратный ток не превышает допустимого значения.
Прямой ток, т. е. ток при прямом включении p–n перехода, практически не изменяется при увеличении частоты, так как сопротивление rд при прямом включении на много меньше сопротивления барьерной емкости.
Свойства p–n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды, а значит и температуры p–n перехода. При увеличении температуры возрастает генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается число основных носителей зарядов. Это приводит к увеличению прямого тока при неизменной величине прямого напряжения. Очевидно, что с увеличением температуры увеличивается число и неосновных носителей заряда, что заметно увеличивает обратный ток p–n перехода (рисунок 1.9). Увеличение обратного тока ухудшает однопроводные свойства p–n перехода. В этом состоит основное отрицательное влияние повышения температуры на свойства p–n перехода.
Рисунок 1.9 – Вольтамперные характеристики p-n перехода
при различных температурах
Для различных полупроводниковых материалов различны пределы температуры нагрева, которые определяются допустимым значением обратного тока. Для германия он составляет +(80÷100)˚C, а для кремния +(150÷200)˚C. Видно, что кремний более стабилен к нагреву.
Максимально допустимое минусовое воздействие температуры определяется теоретически энергией ионизации донорных и акцепторных примесей и достигает -200˚C. Практически, исходя из реальных климатических условий, предельное значение отрицательной температуры для германия и кремния берется в пределах –(60÷70)˚C.
2 Полупроводниковые диоды.
2.1 Понятие, конструкция p–n перехода диода, системы маркировки диодов.
Полупроводниковым диодом называется ПП прибор с двумя выводами и содержащий один или несколько p–n переходов.
В группу ПП диодов входят выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, неуправляемые и управляемые многослойные переключающие диоды (динисторы и тринисторы), свето и фотодиоды.
Конструкция p–n перехода. По конструкции p–n перехода диоды делятся на плоскостные и точечные. Плоскостной диод характеризуется тем, что размер площади p–n перехода значительно больше его толщины (рисунок 2.1,а).
Рисунок 2.1 – Плоскостной (а) и точечный (б) p-n переход
Такие диоды могут пропускать большой ток, но из-за значительной площади p-n перехода у них велика барьерная ёмкость. Это снижает величину максимальной частоты проходящего через них тока.
Точечные диоды характеризуются тем, что площадь p – n перехода соизмерима с толщиной перехода или меньше его (рисунок 2.1,б). При его изготовлении к поверхности отшлифованной пластины германия или кремния n–проводимостью прижимают (подпружинивают) заострённую металлическую иглу, выполненную, например, из бериллиевой бронзы. В месте соприкосновения бериллиевой иглы с полупроводником в результате дефундирования бериллия образуется некоторая область с дырочной проводимостью. Между этой областью P и полупроводником образуется p–n переход. Алюминиевые пластины (рисунок 2.1) используются для присоединения выводов к полупроводникам. Из-за малой площади точечного p–n перехода через точечный диод может протекать ток небольшой величины. По этой же причине барьерная ёмкость точечного диода мала, что значительно увеличивает значение максимальной частоты протекающего тока.
Маркировка. В системе обозначений (маркеров) диодов отображаются материал, конструкция перехода, область применения и предельные электрические свойства диода [2]. Существенно отличается система условных обозначений до 1964 г. после 1964 г.
У диодов малой мощности (радиотехнического применения), разработанных до 1964 г. условные обозначения состояли из трёх элементов.
Первый элемент обозначения – буква Д, которая характеризует всю группу полупроводниковых диодов.
Второй элемент обозначения – число от однозначного до четырёхзначного, которое указывает на материал, конструкция p–n перехода, область применения диода. Приведём некоторые из этих чисел.
от 1 до 100 – точечные германиевые диоды,
от 101 до 200 – точечные кремниевые диоды,
от 201 до 300 – плоскостные кремниевые диоды,
от 301 до 400 – плоскостные германиевые диоды,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
от 701 до 800 – какие – то диоды
от 801 до 900 – стабилитроны, (Д814, Д816)
от 901 до 950 – варикапы,
от 951 до 1000 – туннельные диоды,
от 1001 до 1100 – выпрямительные столбы.
Третий элемент обозначения – буква, указывающая на разновидность прибора по электрическим величинам (ток, прямое и обратное напряжение и т.д.).
В 1964 г. была утверждена новая система обозначений (ГОСТ 10862 – 64). Она стала базовой для дальнейших гостов, несколько уточняющих её, таких как ГОСТ 10862 – 72, который начал действовать с 1973 г. и отраслевой стандарт ОСТ 11 336.919 – 81, который начал действовать с 1982 г. и действует в настоящее время. В соответствии с ним в условных обозначениях диодов используются четыре основных элемента и пятый – дополнительный.
Первый элемент – буква или цифра, определяющая исходный полупроводнивый материал:
1 или Г – германий или его соединения;
2 или К – кремний или его соединения;
3 или А – соединения галлия;
4 или И – соединения индия.
Присутствие цифры говорит о том, что этот диод может использоваться при более высоких температурах, чем диод с буквенным обозначением материала.
Второй элемент – буква, обозначающая назначение прибора (подкласс или группу):
Д – диоды выпрямительные, импульсные, диоды преобразователи (термодиоды, магнитодиоды и т. д.);
Ц – выпрямительные столбы и блоки;
В – варикапы;
И – туннельные и обращенные диоды;
А – сверхвысокочастотные диоды;
Ж – стабилизаторы тока;
С – стабилизаторы напряжения (стабилитроны).
Третий элемент – цифра (1÷9), определяющая назначение или принцип действия прибора.
Для диодов:
1 – выпрямительные, со средним значением тока не более 0,3 А;
2 – со средним значением тока более 0,3 А;
3 – диодные преобразователи, и т. д.
Четвертый элемент – двузначные числа от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки, в котором отображается отличие электрических параметров. Допускается использование трехзначных чисел от 101 до 999 при условии, что порядковый номер разработки превышает число 99.
Пятый элемент – буква русского алфавита (с некоторым исключением [г]), в качестве классификационной литеры (буквы).
Возможно дополнительное шестое обозначение [2]. – через дефис цифра.
2.2 Выпрямительный диод
Выпрямительным ПП диодом называется ПП предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток значительной величины и «малой» частоты. По конструкции выпрямительный диод содержит один p–n переход, который располагается в металлическом или керамическом корпусе, т.к. выпрямительные диоды предназначены для пропускания значительных токов (от долей ампер до десятков ампер), то поэтому p–n переход выпрямительного диода имеет плоскостную конструкцию. Следствием этого является значительная барьерная ёмкость p–n перехода, что ведёт к ограничению частоты пропускаемого тока через диод.
Вольтамперная характеристика диода (рис 1.10,а) повторяет В.А.Х. p–n перехода. На рис 1.10,б показано условное графическое обозначение выпрямительного диода и полярность напряжения при прямом включении диода.
Рисунок 1.10 – Вольтамперная характеристика диода (а),
графическое обозначение (б) и полярность прямого включения
Вывод диода, к которому подключается плюс прямого напряжения, называется анодом. Второй вывод диода называется катодом.
Основными электрическими параметрами выпрямительного диода являются следующие:
Uпр – прямое падение напряжения, это падение напряжения на диоде при прямом включении и заданном прямом токе;
Uобр – обратное напряжение, это максимальное значение обратного напряжения, при котором не происходит электрического пробоя;
Iпр.max – прямой ток диода, это величина максимально допустимого прямого тока через диод при постоянном прямом напряжении, при котором не происходит теплового пробоя p–n перехода;
Iпр.ср. – средний прямой ток, это допустимое среднее значение за период прямого тока диода;
Сд – общая ёмкость диода, это ёмкость между выводами диода при заданном напряжении, включающая барьерную ёмкость p–n перехода и паразитную ёмкость конструктивных элементов диода;
fmax – максимальная частота, это максимальное значение частоты, при которой диод сохраняет свойства однопроводности;
Iобр – обратный ток диода при обратном напряжении равном Uобр, это ток, при котором сохраняются его одно направленные свойства.
Rд пр – прямое сопротивление диода, это сопротивление диода при прямом включении, которое определяется отношением Uпр к Iпр.max и величина его составляет десятые доли Ом.
Rд обр – обратное сопротивление диода, это сопротивление диода при обратном включении, которое определяется отношением Uобр к Iобр и составляет сотни кОм.
Выпрямительные диоды изготовляются из кремния или германия. В зависимости от материала, из которого выполнены диоды, изменяются значения его электрических величин (Таблица 1).
Таблица 1 – Значения электрических величин диода
|
Материал диода Параметры |
Кремний |
Германий |
|
Обратный ток |
малый |
большой |
|
Обратное напряжение [B] |
1000 ÷ 1500 |
100 ÷ 400 |
|
Рабочий температурный диапазон |
-60˚С ÷ +50˚С |
-60˚С ÷ +85˚С |
|
Прямое падение напряжения |
Больше |
меньше |
|
Прямое сопротивление |
Больше |
меньше |
У выпрямительных диодов, имеющих плоскостную конструкцию, имеет место заметное увеличение обратного тока при повышении температуры. Обратный ток возрастает в 2 ÷ 2,5 раза при повышении температуры на каждые 10˚С.
Величина обратного тока через диод зависит от частоты, как и у p–n перехода. На рис 1.11 показано экспериментально полученная зависимость изменения величины обратного тока через диод при увеличении частоты. Видно, что до f=fmax обратный ток практически отсутствует и начинает значительно возрастать при f>fmax
Рисунок 1.11 – Зависимость величины обратного
тока диода от частоты
На рисунке 1.12,а представлена схема однополупериодного выпрямителя. На рисунке 1.12 б, в, г представлены осциллограммы напряжений и тока в выпрямителе.
На вход выпрямителя подаётся переменное напряжение uвх (рисунок 1.12,б). В течение положительного полупериода к входным клеммам приложено напряжение полярностью, показанной без скобок. При этом диод находиться под прямым напряжением и через него будет протекать прямой ток (рисунок 1.12,в). Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной прямого сопротивления диода и сопротивлением нагрузки.
Протекающий ток создаёт падение напряжения на диоде и на нагрузке (рисунок 1.12,г). Так как прямое сопротивление диода на много меньше сопротивления нагрузки, то на диоде падение напряжения так же много меньше падения напряжения на нагрузке. При этом в каждый момент времени выполняется второй закон Кирхгофа:
uвх = uд+ uн
Величина падения напряжения на диоде столь мала, что часто им пренебрегают при расчётах.
В течение отрицательного полупериода полярность напряжения на входе выпрямителя изменяется на противоположную (полярность в скобках). При этой полярности диод находится под обратным напряжением, и через него будет протекать ток малой величины, соответствующий величине обратного тока, и его величина будет определяться по формуле:
Рисунок 1.12 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) осциллограммы входного напряжения (б), тока через диод (в), напряжения на нагрузке и на диоде (г)
При этой полярности входного напряжения обратное сопротивление диода на много больше сопротивления нагрузки, что приводит к тому, что падение напряжения на диоде на много больше падения напряжения на нагрузке. Величина падения напряжения на нагрузке столь мала, что часто им пренебрегают при анализе схем.
2.3 Высокочастотный диод
Высокочастотным диодом называется диод, предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток высокой частоты. Частота тока, пропускаемая высокочастотным диодом на много выше частоты тока, пропускаемого выпрямительным диодом.
Высокочастотные диоды изготавливаются из германия или кремния, p–n переход имеет точечную конструкцию. Такая конструкция p–n перехода характеризуется барьерной ёмкостью небольшой величины (не более 1пФ). Это позволяет использовать диод для пропускания высокочастотных токов. Однако малая площадь контакта p–n перехода не позволяет рассеивать значительную мощность. Поэтому высокочастотные диоды менее мощные, чем выпрямительные и применяются в схемах с напряжением не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.
Вольтамперная характеристика высокочастотного диода в общем виде повторяет вольтамперную характеристику выпрямительного диода (рисунок 1.10,а). Графическое обозначение высокочастотного диода (рисунок 1.10,б). Влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных диодах – удвоение обратного тока происходит при приращении температуры на 15÷20˚С. Ниже названы основные электрические параметры высокочастотных диодов и их ориентировочные значения:
Iпр – прямой ток (десятки мА),
Iобр – обратный ток (единицы mкА),
Uобр – максимальное обратное напряжение (десятки В)
fmax – максимальная рабочая частота (сотни МГц),
Сб – ёмкость диода (доли – единицы пФ).
Широко применяются высокочастотные диоды в детекторах амплитудно и частотно модулированных сигналов, в различных устройствах преобразования высокочастотных сигналов.
2.4 Импульсный диод
Импульсным диодом называется полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходного процесса при отпирании p–n перехода и предназначенный для работы в импульсных схемах. В импульсных схемах токи и напряжения изменяются в течение малого промежутка времени, составляющего около 10-6 секунды, сохраняя затем неизменное значение в течение определённого времени (рисунок 2.5,б). На рисунке 2.5,а показана схема включения импульсного диода, на вход которой подаётся импульсный сигнал (рисунок 2.5,б).
Рисунок 2.5 – Схема включения импульсного диода (а),
входной сигнал (б) и ток через диод (в)
При положительном значении входного сигнала (0<t<t1) через диод протекает ток iд,, величина которого определяется значением Um и значениями прямого сопротивления диода и R. Ток создается основными носителями заряда. Не основные носители зарядов в это время находятся под действием тормозящего поля, создаваемым прямым напряжением (+Um). Происходит процесс накопления неравновесных неосновных носителей в области p–n перехода. Неравновесные носители – это электроны или дырки, не находящиеся в термодинамическом равновесии как по концентрации, так и по энергетическому распределению. При изменении полярности входного напряжения в момент времени t=t1 неравновесные неосновные носители оказываются под действием ускоряющего электрического поля. Они проходят через p–n переход и создают обратный ток Im обр, который в течение некоторого времени остается постоянным. Затем происходит рассасывание объемного заряда неосновных носителей, что ведет к уменьшению обратного тока до некоторой установившейся величины Iобр (t=t2). Время, в течение которого происходит рассасывание неосновных носителей, называется временем восстановления обратного сопротивления диода.
Рассмотренный процесс прохождения сигнала импульсной формы через диод характерен для любого p–n перехода. Очевидно, что в импульсном диоде p–n переход должен обладать малыми инерционными свойствами. Применяемые полупроводники должны иметь малую концентрацию неосновных носителей. Очевидно, на величину обратного тока влияет и величина барьерной емкости p–n перехода. Поэтому маломощные (низкотоковые) импульсные диоды выполняются по точечной конструкции.
Вольтамперная характеристика импульсного диода полностью совпадает с В.А.Х. p–n перехода (рисунок 1.5). Часть понятий электрических параметров импульсных диодов совпадают с понятиями электрических параметров выпрямительных диодов. Такие, как постоянное прямое напряжение Uпр, постоянное обратное напряжение Uобр, постоянный прямой ток Iпр, общая ёмкость диода Сд.
Ряд параметров характеризуют импульсные свойства диодов:
Iпр.и – прямой импульсный ток, это максимально допустимый ток в течении определённой длительности импульса. Его значение обычно на порядок превышает значение прямого тока;
tвос.обр – время восстановления обратного сопротивления диода
Графическое обозначение импульсного диода такое же, как и выпрямительного диода (рисунок 2.1,б).
Применяются импульсные диоды в импульсных схемах, в переключающих устройствах, при построении цифровых микросхем.
2.5 Стабилитрон
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, работающий в режиме электрического пробоя. Условное обозначение стабилитрона представлено на рисунке 2.6,а с указанием анода и катода. При прямом включении стабилитрона (плюс на аноде, минус на катоде) вид В.А.Х. полностью совпадает с видом В.А.Х. выпрямительного диода. При обратном включении вид В.А.Х. так же похож на В.А.Х. выпрямительного диода. Однако при достижении обратного напряжения равного напряжению пробоя в стабилитроне не наступает тепловой пробой. При дальнейшем увеличении обратного напряжения в интервале от Uст. min до Uст. max происходит нарастание обратного тока от Iст. min до Iст.max. В этом состоит основное свойство стабилитрона, которое используется при построении стабилизаторов напряжения и тока и ряда других устройств. При превышении обратного напряжении величины Uст. max происходит возрастание обратного тока, что приводит к разогреву p–n перехода и его тепловому пробою.
Итак, рабочим режимом стабилитрона является режим обратного включения.
Рисунок 2.6 – Условное обозначение (а) и В.А.Х. стабилитрона
Однако величина обратного напряжения не должна превышать Uст. max. Для изготовления стабилитронов используется кремний, т.к. он обладает более высокой температурною стабильностью по сравнению с германием.
Основными параметрами стабилитрона являются:
Uст. min, Uст. max – минимальное и максимальное значения обратного напряжения, или минимальное и максимальное значение напряжений стабилизации;
Uст. – среднее значение обратного напряжения, или среднее значение напряжения стабилизации;
Iст. min , Iст. max – минимальное и максимальное значения токов стабилизации, соответствующие минимальным и максимальным значениям напряжений стабилизации;
Rст. – сопротивление стабилитрона при заданном обратном токе стабилитрона, значение которого находится, обычно, в середине интервала обратной В.А.Х. между Iст. min и Iст. max;
Rст. дин. – динамическое сопротивление стабилитрона в интервале Iст. min и Iст.max, отображающее крутизну обратного рабочего участка В.А.Х. и определяемого по формуле:
Чем круче рабочий участок В.А.Х. стабилитрона, тем выше его стабилизирующие свойства. Из формулы видно, что более крутой характеристике соответствует меньшее значение Rст. дин..
При расчёте цепи, содержащей стабилитрон, удобно пользоваться его схемой замещения (рисунок 2.7)
Рисунок 2.7 – Схема замещения стабилитрона
при обратном включении
В этой схеме Eст. равно среднему значению напряжения стабилизации Uст. стабилитрона. Величина Rст. равна сопротивлению стабилитрона при заданном обратном токе (из справочника).
При использовании стабилитронов не редко приходится включать их последовательно – согласно (рисунок 2.8,а) и последовательно – встречно (рисунок 2.8,б).
Рисунок 2.8 – Схемы последовательного - согласного (а) и
последовательного - встречного (б) включения стабилитронов
На рисунке 2.9 показано построение эквивалентных В.А.Х. для каждого из включений стабилитронов. Для удобства будем считать, что стабилитроны одинаковые, а значит имеют одинаковые В.А.Х. Тогда на рисунке 2.9,а обеим стабилитронам соответствует В.А.Х. 1.
Рисунок 2.9 – Построение эквивалентных В.А.Х. для последовательно –
согласного (а) и последовательно - встречного (б) включения стабилитронов
Для получения эквивалентной В.А.Х. в обоих случаях необходимо воспользоваться графическим методом расчета нелинейных цепей постоянного тока. Для различных значений тока суммируются падения напряжений на стабилитронах.
При согласованном включении (рисунок 2.8,а) стабилитронов эквивалентная характеристика имеет вид В.А.Х. 2 (рисунок 2.9,а). Как видно, напряжение стабилизации при таком соединении стабилитронов возрастает (Uст. 2) и равно сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона.
При встречном включении стабилитронов (рисунок 2.8,б) одному стабилитрону соответствует В.А.Х. 1 (рисунок 2.9,б). Другому стабилитрону, из - за встречного включения соответствует В.А.Х. 2, которая представляет собой обычную В.А.Х., но развернутую относительно начала координат. Эквивалентная В.А.Х. 3 получается суммированием напряжений для различных значений токов В.А.Х. 1 и В.А.Х. 2. Как видно, такое включение стабилитронов формирует напряжение стабилизации при одной и другой полярности подключаемого напряжения.
Последовательно – согласное включение стабилитронов (рисунок 2.8,а) применяется в тех случаях, когда величина требуемого напряжения стабилизации превышает напряжение стабилизации стабилитрона и используется для построения стабилитронов постоянного напряжения. Последовательно – встречное включение стабилитронов применяется для стабилизации переменного (двухполярного) напряжения.
2.6 Стабистор
Минимальное напряжение стабилизации стабилитронов составляет единицы вольт. Однако в ряде случаев необходимо осуществить стабилизацию напряжения величиной меньше одного вольта, или повысить напряжение стабилизации путем последовательно – согласного включения стабилитронов на доли вольт. Эти задачи успешно решаются с помощью стабистора.
Стабистор – полупроводниковый диод, предназначенный для построения стабилизаторов напряжения и тока, работающий в режиме прямого включения и имеющий более крутую В.А.Х., чем у выпрямительного диода с величиной падения напряжения меньше одного вольта.
Графическое обозначение стабистора такое же, как у стабилитрона (рисунок 2.6,а), но рабочий режим имеет место при прямом включении. От стабилитрона стабистор отличается маркировкой, в которой отображена величина напряжения стабилизации. Так стабистор КС107 имеет следующие параметры:
Uст. = 0,7 В
Iст. = 10 мА (при Uст. = 0,7 В)
Iст. min = 1 мА
Iст. max = 100 мА
2.7 Варикап
Варикапами называются полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная ёмкость закрытого (запертого) p–n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения.
Емкость обычного конденсатора и барьерная ёмкость p–n перехода определяется по формуле:
,
где
ε – относительная диэлектрическая проницаемость запирающего слоя p–n перехода;
S – площадь p–n перехода;
d – толщина запирающего слоя p–n перехода.
При изменении обратного напряжения в p–n переходе увеличивается толщина запирающего слоя (d), что ведёт к уменьшению барьерной ёмкости. На рисунке 2.10,а показано условное графическое обозначение варикапа с полярностью рабочего напряжения. Зависимость барьерной ёмкости от величины приложенного напряжения показана на рисунке 2.10,б.
Рисунок 2.10 – Условное обозначение варикапа (а) и зависимость
его барьерной ёмкости от величины обратного напряжения
Основными параметрами варикапа являются следующие:
Св [nФ] – ёмкость варикапа при заданном обратном напряжении Uобр.[B];
Uобр.max.[B] – максимальное обратное напряжение;
Iобр [mкA] – обратный ток при Uобр.max.;
Рв [Вт] – рассеиваемая мощность при Uобр.max.;
Кс – коэффициент перекрытия по ёмкости, равный отношению максимального значения ёмкости к минимальному при соответствующих значениях напряжений:
;
Qв – добротность варикапа на заданной частоте:
,
где – сопротивление барьерной ёмкости варикапа,
– омическое сопротивление варикапа при постоянном Uобр.;
В таблице приведены параметры для варикапа типа КВ 122В:
Таблица – Параметры для варикапа типа КВ 122В
Наиболее широко варикапы применяются для электронной настройки резонансных контуров. Для этого варикап включается в резонансный контур последовательно или параллельно основному конденсатору контура и на него (варикап) подаётся регулируемое обратное напряжение. Это приводит к изменению эквивалентной ёмкости контура, а, значит, к изменению его резонансной частоты. Из-за небольшой величины ёмкости варикапа его можно применять на достаточно высоких частотах – начиная с УКВ диапазона и выше. На рисунке 2.11 показаны схемы применения варикапов для настройки контуров.
Рисунок 2.11 – Схемы применения варикапов
2.8 Туннельный диод.
Туннельным диодом называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через p–n переход и у которого в В.А.Х. имеется область отрицательного дифференциального сопротивления.
В 1958 г. японским ученым Лео Есаки было обнаружено, что n–p структуры, имеющие большую концентрацию примесей (в 102÷103 раза больше чем в обычном n–p структуре), обладают следующими аномальными свойствами:
1) В отличие от обычных диодов они хорошо проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении.
2) При прямом включении на вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным сопротивлением (падающий участок а–б, рисунок 2.12,б).
Аномальные свойства таких диодов вызваны, как было установлено, туннельным эффектом. Поэтому такие диоды получили название туннельных.
Туннельный эффект состоит в следующем: частицы, имеющие энергию, недостаточную для прохождения потенциального барьера, могут все же пройти через него, если с другой стороны барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, какой занимала частица перед барьером.
В квантовой механике показано, что вероятность туннельного перехода тем выше, чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота.
Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. В обычных диодах толщина электронно-дырочного перехода велика и вероятность туннельного перехода мала. В туннельных диодах из-за высокой концентрации примесей толщина перехода составляет около 0,01 мкм, т. е. барьер является очень узким. В этих условиях вероятность туннельного перехода оказывается очень высокой, что и приводит к появлению падающего участка в В.А.Х. туннельного диода.
На рисунке 2.12,а показано условное обозначение туннельного диода и полярность его рабочего включения.
Рисунок 2.12 – Условное обозначение и вольтамперная характеристика
туннельного диода
Туннельные диоды изготавливают из германия и арсенида галлия. На рисунке 2.12,б представлена типовая вольтамперная характеристика туннельного диода, с помощью которой рассмотрим следующие параметры туннельного диода:
Iп – пиковый ток, это ток в точке максимума В.А.Х.;
Uп – напряжение пика, это прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
Iв – ток впадины, это прямой ток точке минимума В.А.Х. диода;
Uв – напряжение впадины, это прямое напряжение, соответствующее току впадины;
Uрр – напряжение раствора, это прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому (точка “в” рисунок 2.12,б).
3. Транзисторы
3.1 Типы транзисторов, классификация, маркировка транзисторов
Транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий не менее трёх выводов и пригодный для усиления мощности электрических сигналов.
В настоящее время используются два типа транзисторов – биполярные и полевые.
Классификация транзисторов осуществляется по мощности и частоте пропускаемого сигнала.
По мощности транзисторы делятся на:
маломощные Р ≤ 0,3 Вт
средней мощности Р ≤ 5 Вт
мощные Р > 5 Вт
По значению предельной частоты fпр пропускаемого сигнала транзисторы подразделяются на:
низкочастотные fmax ≤ 3 М Гц
среднечастотные fmax ≤ 30 М Гц
высокочастотные fmax ≤ 120 М Гц
сверхвысокочастотные fmax > 120 М Гц
Маркировка транзистора наносится на транзистор и включает в себя информацию об основных его электрических параметрах.
В настоящее время используются два типа маркировок. Первый тип маркировки был разработан в 1964 г. и осуществлялся в соответствии с требованиями ГОСТ 10 862–64. Маркировка состоит из четырёх элементов:
1ый элемент – буква М, обозначающая, что корпус транзистора унифицированный (относится к единой, наиболее распространённой форме);
2ой элемент – буква П, обозначающая, что p–n переходы транзистора имеют плоскостную конструкцию;
3ий элемент – число от однозначного до трёхзначного (1÷800), обозначающее вид применённого в транзисторе полупроводника (кремний, германий), допустимые ток, напряжение, частота и другие электрические параметры, информация о которых находится или в техническом паспорте или в справочнике по полупроводниковым приборам;
4ый элемент – буква русского алфавита (А÷Я), обозначающих отличие некоторых электрических параметров (допустимый ток коллектора, предельная частота и др.) при одинаковых других параметрах.
Например транзистор МП 16А имеет меньший коэффициент передачи по току, чем транзистор МП 16Б, а остальные параметры у них одинаковы.
При использовании не унифицированного корпуса буква М отсутствует. Например, П 401 А. Не унифицированные корпуса больше не используются для изготовления мощных транзисторов.
В 1972 г. была введена новая маркировка транзисторов, которая выполняется в соответствии с ГОСТ 10 862 – 72 и позднее была скорректирована документом ОСТ 11 336.919 – 81. В соответствии с этими документами современная маркировка транзисторов состоит из пяти элементов:
1ый элемент – буква или цифра, обозначающие тип полупроводникового материала:
Г или 1 – германий,
К или 2 – кремний,
А или 3 – арсенид галия,
И или 4 – соединение индия.
Буква используется тогда, когда транзистор может работать при нагреве до 75°С. Число используется тогда, когда транзистор может работать при нагреве до 120°С.
2ой элемент – буква, обозначающая тип транзистора:
Т – биполярный,
П – полевой.
3ий элемент – цифра, указывающая область частот и мощностей, допустимых для транзистора, и их назначения указаны в таблице 3.
Таблица 3 – Назначения областей частот и мощностей транзистора
|
Частота Мощность |
Низкие частоты |
Средние частоты |
Высокие частоты |
|
Малая мощность |
1 |
2 |
3 |
|
Средняя мощность |
4 |
5 |
6 |
|
Большая мощность |
7 |
8 |
9 |
4ый элемент – число двух или трёхзначное, отображающее электрические параметры, такие как рабочий и предельные значения тока и напряжения, конкретное значение частоты, мощности и других параметров транзистора.
5ый элемент – буква (А÷Я), показывающее отличие от аналогичного транзистора, но с другим значением, например, коэффициента передачи по току.
Например, транзистор 2Т803А – кремневый, биполярный, может работать при повышенной температуре, мощный, среднечастотный.
3.2 Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Они имеют два p–n перехода. Точечная конструкция p–n переходов в транзисторах оказалась не перспективной – малые токи, неудовлетворительные рабочие параметры. Поэтому в настоящее время биполярные транзисторы имеют только плоскостную конструкцию p–n переходов.
3.2.1 Устройство, конструкция, принцип действия и графическое
обозначение.
Схематическое устройство биполярного транзистора показано на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Схематическое устройство биполярного транзистора типа p-n-p (a) и типа n-p-n (б)
Он состоит из трёх полупроводников соединённых между собой, образуя два p–n перехода. Два крайних полупроводника имеют одинаковую проводимость, противоположную проводимости средней области. В зависимости от того, какой проводимости полупроводники используются в крайних и среднем положении транзисторы подразделяются на транзисторы типа p–n–p (рисунок 3.1,а), которые ещё называют транзисторами прямой проводимости и на транзисторы n–p–n (рисунок 3.1,б), которые ещё называют транзисторами обратной проводимости.
Полупроводник, находящийся в середине конструкции транзистора называется базой, а полупроводники, расположенные слева и справа от базы называются эмиттер и коллектор. Не смотря на кажущуюся симметрию конструкции транзистора относительно базы, полупроводник, соответствующий эмиттеру, заметно отличается уровнем примеси и конструкцией от полупроводника соответствующего коллектору. Поэтому при включении транзистора в схему замена эмиттера и коллектора местами не допустима.
Ещё одна особенность конструкции состоит в том, что толщина полупроводника, базы, на много меньше, чем толщина эмиттера и коллектора, что отображено на рисунке 3.1. Кроме этого, полупроводник базы на много меньше легирован, т.е. в нём плотность примесей на много меньше, чем в полупроводниках эмиттера и коллектора. Необходимость такой конструктивной особенности базы будет рассмотрена ниже.
По конструкции транзисторы подразделяются на корпусные и без корпусные. В обеих случаях полупроводники транзистора размещаются на жесткой изоляционной основе, которая называется «подложкой». Это может быть керамическая подложка. В корпусной конструкции транзистора подложка с полупроводниками находится в корпусе, защищающего полупроводники и выводы от внешних механических воздействий. Корпус выполняется из материала с хорошей проводимостью тепла, например, из металла или из термокерамики. Без корпусные транзисторы не имеют внешнего корпуса и используются при изготовлении интегральных микросхем.
Рассмотрим принцип действия биполярного транзистора. Как было сказано, в транзисторе два p–n перехода. Один образован соединением полупроводников эмиттера и базы и этот переход принято называть эмиттерным. Второй p–n переход образован соединением полупроводников базы и коллектора и его принято называть коллекторным переходом. В рабочем режиме транзистора эмиттерный переход должен быть под прямым напряжением, а коллекторный переход под обратным напряжением. Рассмотрим каждый из этих случаев. На рисунке 3.2,а показано подключение прямого напряжения к эмиттерному переходу биполярного транзистора типа p–n–p. Этому включению будет соответствовать В.А.Х. p–n перехода прямого включения (рисунок 2.2,б), при котором p–n переход открывается и через него возникает большой ток при малом напряжении. На рисунке 3.2,б показано обратное подключение напряжения к коллекторному переходу. Этому подключению будет соответствовать В.А.Х. p–n перехода обратного включения (рисунок 2.3,б). Величина тока здесь незначительная даже при достаточно большом напряжении.
Рисунок 3.2 – Принцип функционирования биполярного транзистора
На рисунке 3.2,в показано одновременное подключение прямого напряжения к эмитерному переходу Uбэ и обратного напряжения к коллекторному переходу Uкб. В рабочем режиме транзистора выполняется условие:
Uбэ << Uкб
В рассмотренном режиме имеют место следующие процессы. Под действием напряжения Uбэ открывается эмиттерный переход и основные носители, в нашем случае дырки, направляются в базу. В связи с тем, что база слабо легирована и имеет малые размеры, практически не происходит рекомбинация дырок в базе. Поэтому происходит насыщение базы дырками и их плотность оказывается сравнима с плотностью дырок в коллекторе.
Как было рассмотрено, p–n переход имеет место, если контактируют два полупроводника с разной проводимостью. Если контактируют два полупроводника одинаковой проводимости, то очевидно, что p–n переход отсутствует и электрические свойства определяются только омическими сопротивлениями полупроводников и величиной контактного сопротивления. При насыщении базы дырками до плотности, близкой к плотности коллектора исчезает коллекторный p–n переход и под действием напряжения Uкб дырки из базы устремляются в коллектор. Так как коллекторное напряжение (Uкб) на много больше базового напряжения (Uбэ) основная часть «дырок», прошедших в базу, проходит в коллектор, создавая коллекторный ток (Iк),а меньшая часть «дырок» попадает под действие базового напряжения, создавая базовый ток (Iб). Под действием двух напряжений Uбэ и Uкэ, соединенных последовательно – согласно создается эмиттерный ток (Iэ). Связь эмиттерного, базового и коллекторного токов отображается, в соответствии с первым законом Кирхгофа, следующим очевидным равенством:
Iэ=Iб+Iк
На рисунке 3.2,г показано как в рабочих схемах подается напряжение на биполярный транзистор. Как видно, отдельно подается напряжение на базу относительно эмиттера (Uбэ) и отдельно подается напряжение на коллектор относительно эмиттера (Uкэ). При этом соблюдается режим, когда эмиттерный p – n переход находится под прямым напряжением, а коллекторный переход находится под обратным напряжением.
На рисунке 3.3 представлены условные графические обозначения транзисторов.
Рисунок 3.3 – Условное графическое обозначение транзисторов
прямой проводимости (а,б) и обратной проводимости (в,г)
На рисунке 3.3,а,б представлены транзисторы типа p–n–p в корпусном исполнении (корпус представлен окружностью) и в без корпусном исполнении. На рисунке 3.3,в,г представлены транзисторы типа n–p–n в аналогичных исполнениях. Выводы транзисторов принято обозначать начальными буквами названий этих выводов.
3.2.2 Схемы включения биполярного транзистора
В схемотехнике применяются три схемы включения биполярных транзисторов – с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Включения транзистора по схеме с общей базой (а), общим
эмиттером (б) и общим коллектором (в)
На представленных схемах к выводам 1 – 1' подается входной сигнал, а с выводов 2 – 2'снимается выходной сигнал. На схемах включения видно, что входной и выходной сигнал берутся относительно вывода транзистора, который является общим относительно входа и выхода. Так в схеме с общей базой (рисунок 3.4,а) входной сигнал Uэб прикладывается к эмиттеру относительно базы и выходной сигнал Uкб снимается с коллектора относительно так же базы. Аналогичное имеет место и на других схемах. В качестве условного обозначения способа включения транзистора используются первые буквы наименования включения (аббревиатура). Так для обозначения включения транзистора по схеме с общим эмиттером используется его аббревиатура О.Э. и т.д.
При конкретном включении транзистора важно правильно расставить полярность напряжений, прикладываемых к его выводам. Полярности должны быть таковыми, чтобы, как уже говорилось, эмиттерный p–n переход был под прямым напряжением, а коллекторный под обратным. Это легко проверить по схемам включения транзисторов на рисунок 3.4.
Каждая из схем включения обладает своими свойствами. Они отличаются величинами входного и выходного сопротивления, значениями коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности, видами входных и выходных вольтамперных характеристик. Каждая схема включения используется для конкретных целей. Так схема с общей базой используется в схемах регулировки напряжения, схема с общим эмиттером используется в усилителях сигнала, с помощью схемы с общим коллектором осуществляется согласование высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой для создания условия передачи максимума мощности.
3.2.3 Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.
Все виды вольтамперных характеристик биполярного транзистора удобно представить в виде диаграммы рисунок 3.5.
Рисунок 3.5 – Виды вольтамперных характеристик биполярного транзистора
Как видно из рисунке 3.5 все В.А.Х. транзистора подразделяются прежде всего на статические и динамические. Статические характеристики описывают статический режим работы транзистора. Он характеризуется тем, что при изменении тока в коллекторе напряжение на коллекторе остается постоянным. Как отмечалось, каждая схема включения транзистора (рисунок 3.4) характеризуется своими вольтамперными характеристиками. Из трех видов включения транзисторов наиболее широко используется включение по схеме с общим эмиттером.
Все вольтамперные характеристики получают экспериментально. На рисунке 3.6 показана схема для снятия В.А.Х. биполярного транзистора типа p–n–p, включённого по схеме с общим эмиттером.
Рисунок 3.6 – Схема для снятия входных и выходных В.А.Х. биполярного
транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером
Назначение элементов на схеме (рисунок 3.6) следующие: с помощью потенциометров R1 и R2 осуществляется изменение напряжений соответственно на базе и на коллекторе относительно эмиттера. Эти напряжения измеряются с помощью вольтметров V1 и V2. Ток базы измеряется с помощью первого миллиамперметра (mA1), а ток коллектора измеряется с помощью второго миллиамперметра (mA2).
Входной вольтамперной характеристикой называется зависимость тока базы Iб от напряжения на базе относительно эмиттера Uбэ при постоянном значении напряжения на коллекторе относительно эмиттера Uкэ.
Для этого с помощью потенциометра R2 устанавливается определенное напряжение, а затем с помощью потенциометра R1 устанавливаются последовательно значения напряжений на базе и для каждого значения измеряется ток базы. По полученным измерениям строится входная В.А.Х. транзистора (рисунок 3.7).
Рисунок 3.7 – Семейство входных В.А.Х. биполярного транзистора,
включённого по схеме с общим эмиттером
Обычно снимаются и строятся несколько В.А.Х. при различных значениях коллекторного напряжения. В результате получается семейство входных В.А.Х. (рисунок 3.7). Первая В.А.Х. строится при коллекторном напряжении равном нулю. В этом случае функционирует только эмиттерный p–n переход. Он находится под прямым напряжением, что обеспечивается полярностью подключения источника U1. Поэтому вид входной В.А.Х. транзистора полностью совпадает с В.А.Х. p–n перехода.
Следующая В.А.Х. снимается при установке на коллекторе с помощью потенциометра R2 напряжения UК1. В этом случае под действием коллекторного напряжения часть носителей (дырок), прошедших из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Это приводит к уменьшению числа зарядов, проходящих в базе, т.е. это приводит к уменьшению базового тока. На рисунке 3.7 показано, что при определённом напряжении на базе Uб, токи базы при различных напряжениях на коллекторе различны и их величины убывают с увеличением коллекторного напряжения.
Выходные характеристики снимаются с помощью той же схемы (рисунок 3.6). Выходной статической характеристикой биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером называется зависимость тока коллектора Iк от напряжения на коллекторе относительно эмиттера при постоянном значении тока базы:
Iк = f(Uкэ) при Iб = const
Последовательность снятия выходной В.А.Х. состоит в следующем. В начале устанавливается определённое значение тока базы транзистора путём изменения напряжения на базе. Затем, изменяя напряжение на коллекторе, измеряются значения тока коллектора. Величина напряжения на коллекторе и величина коллекторного тока не должны превышать допустимых предельных значений, указанные в справочнике. Далее устанавливается другое значение тока базы и затем снимается следующая выходная характеристика. Значения тока базы не должны превышать допустимого максимального значения тока базы. Таким образом получается семейство выходных статических характеристик (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 – Семейство выходных статических характеристик биполярного
транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером
При базовом токе равном нулю выходной В.А.Х. не происходит наполнение базы зарядами из эмиттера. Полярность напряжения на коллекторе такова, что коллекторный переход находится под обратным напряжением и коллекторный ток за счёт не основных носителей базы. В результате выходная В.А.Х. представляет собой обратную В.А.Х. p – n перехода. При создании базового тока (Iб2, Iб3) база наполняется основными носителями из эмиттера, что ведёт к уменьшению величины потенциального барьера и уменьшению запирающего слоя коллекторного p – n перехода. Последнее приводит к увеличению коллекторного тока при тех же значениях коллекторного напряжения – зависимости при Iб2 и при Iб3 (рисунок 3.8). Несколько выходных В.А.Х., представленных на одном графике называется семейством выходных характеристик транзистора.
Довольно часто используется включение транзистора по схеме с общей базой (О.Б.). По такой схеме транзисторы включаются, например, в стабилизаторах напряжения и тока. Снятие В.А.Х. биполярного транзистора, включённого по схеме с О.Б. осуществляется с помощью такой же схемы, как и на рисунке 3.6, но транзистор при этом включается по схеме с О.Б. (рисунок 3.9).
Рисунок 3.9 – Схема для снятия В.А.Х. биполярного транзистора,
включённого по схеме с общей базой
Назначение элементов аналогичное тому, что в схеме рисунок 3.6.
Входной В.А.Х. транзистора, включённого по схеме с О.Б., называется зависимость тока эмиттера Iэ от напряжения на эмиттере относительно базы Uэ при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы Uк:
Iб = f(Uэ) при Uк = const
Последовательность снятия входных В.А.Х. аналогично ранее рассмотренному. Предварительно устанавливается напряжение на коллекторе передвижением ползунка резистора R2 (рисунок 3.9), величина которого измеряется с помощью второго вольтметра.
Далее, передвижением ползунка резистора R1, устанавливаются определённые значения напряжений на эмиттере Uэ и для каждого его значения измеряется ток эмиттера Iэ первым миллиамперметром. Результаты измерений вносятся в таблицу, по которой строится входная В.А.Х.. Первая В.А.Х. снимается при нулевом напряжении на коллекторе. Не трудно увидеть, что в этом режиме электрические процессы протекают только в эмиттерном переходе, который находится под прямым напряжением. Очевидно, что вид входной В.А.Х. при Uк = 0 будет полностью совпадать с В.А.Х. p–n перехода при прямом включении (рисунок 3.10).
Рисунок 3.10 – Семейство входных В.А.Х. биполярного
транзистора, включённого по схеме с общей базой
Далее устанавливается некоторое напряжение на коллекторе Uк2 и снимается следующая входная В.А.Х.
При появлении отрицательного потенциала на коллекторе часть дырок, перешедших из эмиттера в базу теперь движутся в коллектор через коллекторный p–n переход. Это приводит к увеличению эмиттерного тока Iэ при тех же значениях напряжений на эмиттере Uэ, так как этот ток, как отмечалось, равен сумме токов базы и коллектора. Отсюда следует, что значения эмиттерного тока будут больше прежних значений на величину коллекторного тока. Следовательно, эта характеристика пойдёт выше прежней характеристики (Uк2>0, рисунок 3.10).
Следующая входная В.А.Х. снимается при следующем бóльшем напряжении Uк3>Uк2. Увеличение коллекторного напряжения приводит к увеличению коллекторного тока, что вызывает увеличение эмиттерного тока. Последнее приводит к тому, что характеристика при Uк3 будет расположена выше характеристики при Uк2 (рисунок 3.10).
Семейство выходных характеристик представляет зависимость тока коллектора Iк от величины коллекторного напряжения Uк при неизменном значении тока эмиттера Iэ:
Iк = f(Uк) при Iэ = const
Первой является характеристика при нулевом токе эмиттера. В этом случае в транзисторе функционирует только коллекторный переход, который находится под обратным напряжением. Очевидно, что в этом случае выходная характеристика будет полностью повторять В.А.Х. p–n перехода, находящегося под обратным напряжением (рисунок 3.11, Iэ = 0).
Рисунок 3.11 – Семейство выходных В.А.Х. биполярного
транзистора, включённого по схеме с общей базой
Для снятия следующей выходной характеристики устанавливается некоторое значение тока эмиттера Iэ2. При нулевом напряжении на коллекторе ползунок потенциометра находится в крайнем нижнем положении. Это приводит к закорачиванию коллектора с базой. В результате эмиттерное напряжение, прикладываемое к выводам эмиттер – база создаёт токи в двух участках цепи. Первый – эмиттер, база и второй – эмиттер, база, коллектор, перемычка в R2 и база. Поэтому, при нулевом напряжении на коллекторе в коллекторе имеет место коллекторный начальный ток, который на графике обозначен Iк нач.. Увеличение коллекторного напряжения не значительно влияет на увеличение тока коллектора. Это связано с тем, что величина коллекторного тока зависит от плотности дырок в базе, прошедших из эмиттера. В такой схеме включения транзистора их плотность определяется только напряжением на эмиттере. Некоторое нарастание тока коллектора при увеличении коллекторного напряжения вызвано оттягиванием этим напряжением части дырок от цепи базы.
При изменении полярности напряжения коллекторный переход будет находиться под прямым напряжением, что приводит к резкому увеличению коллекторного тока и на практике не допустимо. Поведение В.А.Х. в этом случае показано пунктиром.
3.2.4 Динамические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с О.Э.
В предыдущих параграфах рассматривались электрические свойства транзистора, не соединённого с другими электрическими элементами. В этом случае, как было видно, изменение базового тока у транзистора, включённого по схеме с О.Э., вызывало изменение коллекторного тока, но коллекторное напряжение при этом оставалось неизменным. Такой режим, как отмечалось, принято называть статическим.
Если посмотреть любую схему с применением транзисторов, то видно, что к транзистору подключено определённое число электрических элементов. Из всех видов включения транзисторов наиболее результативным, как будет показано далее, является включение по схеме с О.Э.. При таком включении транзистора к коллектору подключается или резонансный контур (резонансный усилитель) или резистор (резистивный усилитель). Для изучения динамических свойств транзистора используем варианты резистивного усилителя. На рисунке 3.12 представлен биполярный транзистор, типа p–n–p, включённый по схеме с О.Э., в коллектор которого включён резистор Rн , называемый сопротивлением нагрузки.
Рисунок 3.12 – Схема включения биполярного транзистора
в динамическом режиме
В этой схеме источник питания коллекторной цепи Eк имеет постоянное значение (Ек = const). Входное напряжение (Uбэ) изменяется в определённых пределах.
При некотором значении базового напряжения в базе устанавливается базовый ток Iб. В соответствии с ранее рассмотренным, под действием электрического поля, создаваемого источником Ек возникает коллекторный ток Iк. Этот ток создаёт падение напряжения на сопротивлении нагрузки Uн. В соответствии с вторым законом Кирхгофа очевидно следующее соотношение:
Ек = Uкэ + Uн = Uкэ + Iк Rн (1)
Из этого соотношения найдём напряжение на коллекторе:
Uкэ = Ек - Iк Rн (2)
При увеличении напряжения на базе увеличивается базовый ток, что приводит к увеличению коллекторного тока. Из последнего соотношения видно, что при этом уменьшится напряжение на коллекторе. Из рассмотренного видно, что при изменении входного напряжения изменяется напряжение на коллекторе. Такой режим работы транзистора принято называть динамическим. Динамический режим транзистора описывается выходной, входной и проходной динамическими характеристиками.
Выходная динамическая характеристика
Выходная динамическая характеристика – это зависимость тока коллектора (Iк) от напряжения на коллекторе (Uкэ). Исходным является выше полученное уравнение по второму закону Кирхгофа для коллекторной цепи:
Ек = Uкэ + Iк Rн
Это уравнение называется уравнением динамического режима транзистора. Из него получаем уравнение для динамической характеристики:
(3)
Из этого же уравнения напряжение на коллекторе:
(4)
Из уравнения динамической характеристики видно, что она имеет вид прямой линии. Выходная динамическая характеристика строится на семействе выходных динамических характеристик (рисунок 3.13). Так как она имеет вид прямой, найдем две крайние ее координатные точки на осях. Рассмотрим первый крайний случай, когда транзистор полностью открыт, то считается, что его сопротивление между эмиттером и коллектором равно нулю. Тогда падение напряжения на нём равно нулю. В этом случае ток коллектора равен максимальному значению:
Этому режиму соответствует точка с координатами (Iк max, Uк=0) на оси ординат – ось тока (рисунок 3.13).
Рассмотрим второй крайний случай, когда транзистор полностью закрыт.
Рисунок 3.13 – Выходная динамическая характеристика и семейство
статических выходных характеристик
Тогда его сопротивление равно бесконечности, а ток коллектора отсутствует, т.е. Iк = 0. Из (4) следует, что в этом режиме напряжение на коллекторе равно величине приложенной Э.Д.С. Ек. Значит этому режиму соответствует точка с координатами (Iк = 0, Uк = Ек) на оси абсцисс – ось напряжения (рисунок 3.13,а). Соединяя эти установленные точки, получаем выходную динамическую характеристику.
Полученное семейство выходных статических характеристик совместно с выходной динамической характеристикой позволяет осуществить анализ электрического состояния транзистора. Прежде всего отметим, что положение выходной динамической характеристики определяется величиной Ек и Rн. При желании изменить её положение необходимо изменить одну из этих величин или обе (рисунок 3.13, б). Режим работы транзистора определяется выбором рабочей точки на динамической характеристике, которая характеризует электрическое состояние транзистора в исходном состоянии. Эту точку, обычно, выбирают, исходя из режима работы транзистора. Выбираем точку 2 на характеристике и в ней электрическое состояние транзистора характеризуется следующим – через транзистор будет протекать коллекторный ток Iк2, на транзисторе будет падать напряжение равное Uк2, на сопротивлении нагрузки падает напряжение Uн2 и при этом ток базы должен быть равен Iб2. При выборе другой рабочей точки значения названных величин изменится. Из сказанного следует, что с помощью семейства выходных статических характеристик и выходной динамической характеристики можно устанавливать режим работы транзистора и определять его электрическое состояние.
Входная динамическая характеристика
Входная динамическая характеристика строится на семействе входных статических характеристик с помощью выходной динамической характеристики. На рисунке 3.13 на динамической характеристике отмечены четыре точки (1÷4), каждой из которых соответствует определённое коллекторное напряжение. Для каждого коллекторного напряжения строится входная статическая характеристика (рисунок 3.14,а). Каждой точке выходной динамической характеристике соответствует своё значение тока базы. Последовательность построения входной динамической характеристики следующая. Для точки 1 выходной динамической характеристики соответствует базовый ток Iб1 и коллекторное напряжение Uк1. На графике семейства входных характеристик (рисунок 3.14,а) откладываем на оси тока значение тока Iб1 и проводим этот уровень до пересечения с входной статической характеристикой, построенной для Uк1, что даёт точку 1 для входной динамической характеристики. Далее общаемся к точке 2 выходной статической характеристики.
Рисунок 3.14 – Построение входной динамической характеристики по
точкам (а) и по семейству входных характеристик (б)
Значение её базового тока Iб2 откладываем на оси тока семейства входных статических характеристик (рисунок 3.14,а) и проводим уровень этого тока до пересечения с характеристикой, построенной для Uк2, что даёт точку 2 для входной динамической характеристики. Аналогично строятся точки 3 и 4 для входной динамической характеристики. Полученные точки соединяются плавной кривой, которая и является входной динамической характеристикой.
Реально семейство входных статических характеристик представляет В.А.Х., которые очень плотно расположены друг относительно друга. Поэтому в справочной литературе семейство входных В.А.Х. представляется в виде двух характеристик, снятых при нулевом и максимальном значениях коллекторного напряжения, с заштрихованным между ними участком (рисунок 3.14,б). В таком случае за входную динамическую характеристику берётся усреднённая В.А.Х., находящаяся между заданными В.А.Х. (рисунок 3.14,б).
Проходная динамическая характеристика.
Проходная динамическая характеристика показывает как изменяется величина тока коллектора Iк при изменении напряжения на базе Uб, т.е. показывает связь выходного сигнала с входным. Строится проходная динамическая характеристика с помощью входной и выходной динамических характеристик (рисунок 3.15). Для этого необходимо взять точку на выходной динамической характеристике. Ей соответствует определённый ток коллектора, который откладываем на оси коллекторного тока проходной динамической характеристики. Этой же точке соответствует определённый ток базы, для которого находим базовое напряжение по входной динамической характеристике. Это напряжение откладываем на оси базового напряжения проходной динамической характеристики.
Рисунок 3.15 – Построение проходной
динамической характеристики
Например, точке 2 на выходной динамической характеристике соответствует ток коллектора Iк2, который откладывается на оси коллекторного тока проходной характеристики (рисунок 3.15). Этой же точке 2 соответствует базовый ток Iб2. Откладываем этот ток на оси базового тока семейства входных статических характеристик (рисунок 3.14,а) и с помощью входной динамической характеристики находим напряжение на базе Uб2 и откладываем его на оси базового напряжения проходной характеристики (рисунок 3.15). Аналогично поступаем с другими точками. При базовом токе равном нулю на выходной характеристики соответствует точка нуль, которой соответствует начальный ток коллектора Iк0. Очевидно, что нулевому значению базового тока соответствует нулевое значение базового напряжения. В результате следует, что проходная динамическая характеристика при нулевом значении базового напряжения имеет значение Iк0.
У проходной динамической характеристики можно выделить три участка – средний линейный участок и два нелинейных – верхний и нижний. Исходное состояние транзистора характеризуется местом положения его рабочей точки на проходной характеристике, т.е. значениями напряжении на базе и коллекторного тока. Для установки требуемого значения на базе существует ряд схемотехнических способов. В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике различают три режима работы транзистора, отличающиеся степенью точности передачи сигнала, эффективностью использования усилительных свойств транзистора. Первый режим называется режимом А, когда рабочая точка находится в середине линейного участка (в окрестности точки 2 на графике проходной характеристики), а амплитуда входного сигнала не выходит за пределы линейного участка характеристики. Этот режим называется линейным и характеризуется высокой точностью передачи сигнала (малыми нелинейными искажениями), но в этом режиме самый низкий коэффициент полезного действия. Когда рабочая точка находится в начале линейного участка (в окрестности точки 1 на графике проходной характеристики), то этот режим называется режимом В и характеризуется заметными частотными искажениями сигнала, но довольно высоким К.П.Д. Наконец, когда рабочая точка находится в начале проходной характеристики, то этот режим называется режимом С. Он характеризуется значительными частотными (нелинейными) искажениями, но имеет самый высокий К.П.Д. из всех режимов.
3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.
Для каждой из схем включения транзисторов наиболее важными параметрами являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности.
Как отмечалось выше, исходное состояние транзистора определяется выбором режима его работы, который характеризуется протеканием установившихся в нем токов определенной величины и наличием напряжений как на транзисторе, так и на элементах, соединенных с ним. При подаче входного сигнала ранее имевшие место токи и напряжения в транзисторе изменяются в соответствии с изменением входного сигнала. Для исключения влияния положения рабочей точки транзистора на его коэффициенты усиления при их анализе используются не абсолютные значения токов и напряжений, а их приращения. Рассмотрим в общем виде коэффициенты усиления транзистора.
Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе:
(5)
Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение приращения на выходе к приращению входного напряжения:
(6)
Коэффициентом усиления по мощности называется отношение приращения мощности на выходе к приращению мощности на входе:
(7)
Входным сопротивлением называется отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока:
(8)
Выходным сопротивлением называется отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока:
(9)
Рассмотрим эти параметры для двух схем включения транзистора. На рисунке 3.16 показано включение транзистора по схеме с О.Б. в динамическом режиме.
Рисунок 3.16 – Транзистор, включённый по схеме
с общей базой в динамическом режиме
Здесь с помощью источника E осуществляется установка рабочей точки на транзисторе, Uист – источник усиливаемого сигнала, Uвх – входное напряжение, Uн – выходное напряжение. В этой схеме входным и выходным токами являются соответственно ток эмиттера и коллектора. Тогда, в соответствии с (5) коэффициент усиления по току в схеме с общей базой будет равен:
Исходя из принципа работы транзистора, ток коллектора заметно больше тока базы. Поэтому значения коэффициента усиления в схеме с О.Б. несколько меньше единицы и принято считать, что его значения лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего удобства коэффициент усиления по току в схеме с О.Б. обозначают через α:
(10)
В соответствии с (6), определим коэффициент усиления по напряжению в схеме с О.Б.:
Здесь под Rвх,б понимается входное сопротивление транзистора между эмиттером и базой в схеме с О.Б. в динамическом режиме.
В стабилизаторах Rн составляет 10÷100 Ом.
Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле (7):
Рассмотрим коэффициенты усиления для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером в динамическом режиме (рисунок 3.17).
Рисунок 3.17 – Включение транзистора по схеме
с общим эмиттером в динамическом режиме
Здесь входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера. Во входной цепи находится напряжение смещения E1 и источник входного сигнала Uист. Выходная цепь состоит из источника E2 и сопротивления нагрузки Rн. Полярность подключения источников такова, чтобы под действием E1 эмиттерный переход был под прямым напряжением, а коллекторный переход под действием E2 находился под обратным напряжением. Как и в предыдущих случаях выполняется условие E2>>E1.
Коэффициент усиления по току определяем по формуле (5), учитывая, что в этой схеме входным током является ток базы, а выходным ток коллектора:
Из-за особой важности коэффициента усиления по току в схеме транзистора с О.Э. этот коэффициент принято обозначать дополнительно к общему обозначению греческой буквой β (бета).
Учитывая, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой изменяется в пределах α=0,9 – 0,99, находим, что β изменяется в пределах:
= 9÷99
Теоретически, при α → 1, что возможно при → 0, значение → ∞.
Коэффициент усиления по напряжению определяем по формуле (6):
Коэффициент усиления по мощности определим как произведение коэффициентов усиления по току и по напряжению:
Сравнивая коэффициенты усиления для двух рассмотренных схем включения транзистора, видим, что в схеме включения с общим эмиттером коэффициенты усиления на много больше коэффициентов усиления в схеме включения с общей базой. Необходимо отметить, что сомножители (дроби), стоящие в коэффициентах усиления по току и по мощности, мало отличаются по величине. Поэтому понятно, что при построении усилителей сигналов используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером.
3.2.6 Эквивалентная схема транзистора.
При расчёте электрических цепей, содержащих транзисторы, в место транзисторов используются их эквивалентная электрическая схема. Для каждого способа включения транзистора имеет место своя эквивалентная схема. Эквивалентные схемы отображают устройство транзистора и его электрические свойства.
Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включённого по схеме с общей зоной. На рисунке 3.18,а показана конструкция транзистора, которая ранее уже рассматривалась и представлена на рисунке 3.1.
Рисунок – 3.18 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с
общей базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)
При изучении свойств p-n перехода и принципа действия транзистора было установлено, что каждый из p-n переходов обладает определённым омическим сопротивлением. Омическое сопротивление эмиттерного перехода обозначается через .
Как известно, одно из условий функционирования транзистора состоит в том, чтобы эмиттерный переход был под прямым напряжением. В этом случае отсутствует запирающий слой в p-n переходе, а значит сопротивление его мало. Поэтому величина мала и составляет от единиц до десяток Ом. Так же известно, что p-n переход характеризуется барьерной ёмкостью. Барьерная ёмкость эмиттерного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключается параллельно .
Сопротивление коллекторного перехода обозначаются через . Известно, что коллекторный переход находится под обратным напряжением, что создает запирающий слой, обладающий большим омическим сопротивлением. Поэтому величина коллекторного сопротивления велика и составляет сотни тысяч Ом (сотни кОм). Барьерная ёмкость коллекторного перехода обозначается через и в эквивалентной схеме подключена параллельно . Величина барьерной ёмкости достаточно велика и составляет сотни пикофарад. Представленная на рисунок 3.18,а эквивалентная схема является пассивным четырёхполюсником и усилительными свойствами, как транзистор, обладать не может. Для того, чтобы эквивалентная схема обладала усилительными свойствами в неё вводится генератор тока (рисунок 3.18,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с общей базой, на величину тока эмиттера, что равно току коллектора:
Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером без генератора тока представлена на рисунке 3.19,а. Назначение элементов ()
Рисунок – 3.19 Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей
базой, без генератора тока (а) и с генератором тока (б)
такое же, как и в схеме с общей базой. Однако, как было сказано, транзистор обладает усилительными свойствами, поэтому эквивалентная схема дополняется генератором тока (рисунок 3.19,б). Ток, создаваемый генератором тока, равен произведению коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с О.Э., на величину тока базы, что равно коллекторному току:
Все параметры биполярного транзистора подразделяются на первичные, вторичные и электрические.
Первичные параметры характеризуют связь между постоянными составляющими тока и напряжения в транзисторе. К ним относятся резистивные элементы схемы замещения транзистора
Вторичные параметры характеризуют связь между переменными составляющими токов и напряжений на входе и выходе транзистора. В этом случае транзистор рассматривается как четырёхполюсник и для оценки его свойств используется система уравнений формы Н. В области частот до сверхвысокочастотного диапазона вторичные параметры обозначаются через малые h. Тогда система уравнений формы h в приращениях принимает вид:
В тех случаях, когда ток или напряжение не изменяются (имеют постоянное значение) очевидно, что их приращение равно нулю. Исходя из этого рассмотрим физические свойства h-параметров. При неизменном выходном напряжении его приращение равно нулю
Тогда из первого уравнения системы находим :
Из полученного соотношения видно, что есть величина динамического входного сопротивления транзистора при неизменном значении выходного напряжения.
Из второго уравнения находим :
Видно, что является коэффициентом усиления по току при неизменном выходном напряжении. При неизменном входном токе его приращение равно нулю:
При выполнении этого условия из первого уравнения находим :
Из полученного соотношения видно, что является обратной величиной коэффициента усиления по напряжению при неизменном входном токе.
Из второго уравнения находим :
Из полученного соотношения видно, что представляет выходную динамическую проводимость или равно обратному значению выходного динамического сопротивления.
Для различных схем включения транзистора -параметры имеют различные значения и могут быть определены с помощью семейств входных и выходных статических характеристик. Рассмотрим как это делается для наиболее распределённой схемы включения транзистора с общим эмиттером. Предварительно представим - параметры через токи и напряжения транзистора, включённого по схеме с О.Э. : для того, чтобы подчеркнуть, что -параметры относятся к схеме с О.Э. рядом с индексом ставится буква “Э”:
; ;
; .
На рисунке 3.20 представлены семейства входных и выходных статических характеристик для транзистора, включенного по схеме с О.Э., с помощью которых будем определять -параметры. Параметр определяется с помощью семейства входных статических характеристик.
Рисунок 3.20 – Семейства статических входных (а) и выходных (б) характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером для определения -параметров
Для этого выбирается статическая характеристика, снятая при коллекторном напряжении, близком или равном напряжению, при котором работает транзистор в схеме. Для примера выберем характеристику, снятую при коллекторном напряжении . На этой характеристике берем отрезок (точки 1-2), для него находим и . Взяв отношение этих величин, находим . Если известно при каком базовом токе или базовом напряжении работает транзистор, то отрезок участка на характеристике берётся в окрестности этих значений.
Параметр так же определяется по семейству входных статических характеристик. Это параметр определяется при условии, что ток базы не изменяется. Для этого выбирается значение тока базы, близкое к рабочему значению и проводится горизонтальная линия до пересечения с вольтамперными характеристиками. Берутся две точки на двух характеристиках (точки 3 и 4) и для них находим (как показано на рисунке). Величина определяется, как разница коллекторных напряжений, при которых сняты В.А.Х. с точками 3 и 4:
Отношение найденных приращений напряжений даёт значение
-коэффициента усиления по напряжению.
Параметр определяется с помощью семейства выходных статических характеристик, при неизменном значении напряжения на коллекторе. Поэтому отмечаем напряжение и проводим вертикальную линию до пересечения с вольтамперными характеристиками. Выбираем две характеристики с которыми пересекалась эта вертикаль (точки 1 и 2). Каждой из этих точек соответствует определённый коллекторный ток. Вычитая из большого значения коллекторного тока меньшее значение определяем величину . Каждая из характеристик, на которой лежат точки 1 и 2 снималась при определённых значениях токов базы. Вычитая из большего меньшее значение тока базы находим . В нашем случае:
Берём отношение найденных приращений токов и находим значение - коэффициент усиления тока.
Определение так же осуществляется с помощью семейства выходных статических характеристик. Этот параметр определяется при неизменном значении тока базы . Для определения выбирает одна характеристика из семейства выходных характеристик, снятая при определённом значении тока базы . Для примера выбрана характеристика, снятая при базовом токе . На этой характеристике выбираем отрезок (точки 3 и 4). Этому отрезку соответствует определённое приращение коллекторного тока и определённое приращение коллекторного напряжения . Берём отношение этих величин и находим .
Электрические параметры транзистора:
1. Предельная частота усиления по току. С увеличением частоты ухудшаются усилительные свойства транзистора по току – коэффициент усиления по току уменьшается. Это объясняется инерционностью носителей заряда и наличием барьерных емкостей в p-n переходах. Так как с увеличением частоты сопротивление конденсатора уменьшается, то барьерные емкости с увеличением частоты закорачивают отдельные участи цепи. В схемах замещения транзисторов, включенных по схеме с О.Б. и с О.Э., барьерная емкость коллекторного перехода подключена параллельно генератору тока. С увеличением частоты уменьшается сопротивление этой емкости и часть тока генератора замыкается на барьерной емкости, что ведёт к уменьшению тока коллектора. В схеме включения транзистора с О. Э. процесс уменьшения коэффициента усиления по току усугубляется еще тем, что эмиттерная барьерная емкость включена параллельно входной цепи (смотрите схему замещения рисунок 3.19) и с увеличением частоты закорачивает её. Поэтому снижение коэффициента усиления по току в схеме с О. Э. происходит на более низких частотах, чем в схеме с О. Б. На рисунке 3.21 показаны зависимости относительных значений коэффициентов усиления по току от частоты при включении транзисторов по схемам с О. Э. и с О. Б..
Рис. 3.21 Зависимости относительных значений коэффициентов усиления по току от частоты при включении транзисторов по схемам с общим эмиттером и с общей базой
Здесь - коэффициент усиления по току на нулевой частоте.
Предельной частотой усиления по току (или ) называется частота, при которой коэффициент усиления по току (или ) уменьшается в раз (на 3 дБ) по отношению к своему значению на низких частотах. На рис. 3.21 показано определение предельной частоты для транзистора, включенного по схеме с О. Б. () и с О. Э. ().
2. Максимальная частота генерации. При построении автогенераторов (устройств, способных самовозбуждаться и создавать периодические колебания при отсутствии внешнего входного сигнала) необходимо, чтобы коэффициент усиления по мощности транзистора был больше единицы. Когда коэффициент усиления по мощности будет меньше единицы (при Кр < 1), транзистор вырождается в пассивный четырехполюсник. При частоте выше предельной частоты усиления по току в определенном интервале частот транзистор обладает коэффициентом усиления по мощности больше единицы. В этом интервале частот он может использоваться для построения автогенераторов.
Максимальной частотой генерации () называется такое значение частоты, при которой транзистор еще способен генерировать колебания в схеме автогенератора. Максимальная частота определяется по формуле:
В этой формуле в зависимости от схемы включения в качестве предельной частоты берется для схемы включения О. Б. или для схемы включения О. Э. и определяется для соответствующей схемы включения.
3. Обратный ток коллектора Iко - ток через p – n переход коллектора при обратном напряжении на коллекторном переходе. Он имеет место в транзисторе при нулевом базовом токе.
4. Ёмкость коллекторного перехода Ск - измеряется между выводами коллектора и базы при разомкнутой цепи коллектора и имеет значение от единиц до сотен пикофарад. Коллекторная емкость негативно сказывается на показателях работы транзистора, как в усилительном, так и ключевом режимах.
5. Допустимая мощность рассеивания коллектора - () мощность, рассеиваемая транзистором и создающая такой тепловой режим, при котором не изменяются электрические свойства транзистора.
3.2.8 Составной биполярный транзистор.
В ряде схемных решений коэффициент усиления транзистора по току, даже в схеме с О. Э. оказывается недостаточным. Для повышения коэффициента усиления используется такое соединение двух транзисторов, которое рассматривается как один транзистор и называется составной транзистор (рисунок 3.22).
Рисунок 3.22 – Схема составного биполярного транзистора
Коллекторы этих транзисторов соединены, а эмиттер первого транзистора подключен к базе второго. Рассмотрим в приращениях связи между токами транзисторов и найдем, как выражается коэффициент усиления составного транзистора через коэффициенты усиления каждого из них. Как видно из рисунка 3.22, составной транзистор включен по схеме с общим эмиттером, поэтому коэффициент усиления его по току будет определяться соотношением:
Очевидно, что:
Обозначим через и коэффициенты усиления соответственно транзисторов и . Величину находим из известного соотношения:
, .
Учитывая, что
и ,
Находим :
Суммируя и , находим :
Из последнего соотношения находим коэффициент усиления по току для составного транзистора:
В инженерных расчетах часто используют только последнее слагаемое:
Проверим на сколько это допустимо. Для упрощения анализа будем считать, что . В таблице предоставлены расчеты по точной формуле () и при учете только второго слагаемого, а так же указана относительная погрешность приближенного расчета.
Таблица – Расчёты
|
50 |
2600 |
2500 |
3,8 |
|
100 |
10200 |
10000 |
2 |
Из приведенных расчетов видно, что применение приближенной формулы в инженерных расчетах вполне допустимо. Так же видно, что с увеличением коэффициентов усиления транзисторов погрешность приближенной формулы уменьшается.
В схеме ток эмиттера первого транзистора равен току базы второго транзистора. Из теории работы транзистора известно, что ток базы много меньше тока эмиттера. В то же время, чем больше мощность транзистора, тем больше его базовый ток. Поэтому, чтобы обеспечить близость эмиттерного тока первого транзистора и базового тока второго транзистора необходимо, чтобы первый транзистор был менее мощный, чем второй.
Помимо увеличения коэффициента усиления по току составной транзистор обладает следующими отличительными свойствами. У составного транзистора больше входное сопротивление, чем у одного транзистора. Это ведет к уменьшению входного тока, а значит к уменьшению потерь мощности на выходе источника входного сигнала. Следующее отличие составного транзистора в низком его выходном сопротивлении, поэтому он часто используется как эмиттерный повторитель, который, как известно, используется для согласования низкоомной нагрузки с высокоомным выходом источником сигнала. Недостатками составного транзистора является низкая термостабильность его свойств и большее значение обратного тока коллектора, так как он равен сумме обратных токов коллекторов каждого транзистора.
Применяется составной транзистор в различных усилительных схемах с учетом его свойств. Довольно часто он применяется в компенсационных стабилизаторах напряжения с целью повышения коэффициента стабилизации.
3.3 Полевой транзистор.
3.3.1. Понятие, элементы и типы полевых транзисторов.
Полевым транзистором является полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем.
Рассмотрим основные элементы полевого транзистора.
Канал - область полупроводникового кристалла, в котором протекает поток основных носителей зарядов.
Исток - электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители заряда.
Сток - электрод, через который вытекают носители заряда из канала.
Затвор - электрод, к которому прикладывается управляющее напряжение, с помощью которого регулируется ток канала.
Существует несколько типов полевых транзисторов, отличающихся по конструкции. На рисунке 3.23 представлена диаграмма типов полевых транзисторов.
Рисунок 3.23 – Типы полевых транзисторов
В транзисторах с неизолированным затвором между каналом и затвором нет изоляции. Затвор с каналом образуют управляемый p-n переход, поэтому их называют транзисторами с управляемым p-n переходом. За ними сохранились так же первые их наименования - канальные или униполярные.
В транзисторах с изолированным затвором между каналом и затвором находиться изоляция. Затвор через диэлектрик присоединен к каналу, который выполнен из полупроводника. В результате получилась конструкция из металла, диэлектрика и полупроводника. Используя первые буквы этих трех слов такие транзисторы стали называть транзисторами типа МДП. В качестве диэлектрика в настоящее время используют окислы (например, двуокись кремния SiO2). Поэтому в наименовании таких транзисторов часто буква "Д" заменяется буквой "О" от слова окисел. И тогда они обозначаются как транзисторы типа МОП.
Транзисторы типа МДП (МОП) подразделяются на транзисторы с встроенным каналом и индуцированным каналом. Наконец все полевые транзисторы подразделяются на транзисторные с каналом типа-p или типа-n.
3.3.2 Конструкции и принципы действия полевых транзисторов.
Как отмечалось выше, тип полевого транзистора определяется его конструкцией. Рассмотрим устройство полевого транзистора с неизолированным затвором. На рисунке 3.24 показано его устройство. Он
Рисунок 3.24 Полевой транзистор с неизолированным затвором
состоит из канала, который может быть типа-n (рисунок 3.24) или типа-p. К каналу с обеих сторон подключены контактные пластины, одна из которых является истоком, а другая стоком. Затвор представляет собой полупроводник, с проводимостью противоположной проводимости канала, который внедрен в канал и к которому подсоединена контактная пластина. Особенностью полупроводника затвора является то, что он легирован больше, чем полупроводник канала. Это значит, что плотность основных носителей в полупроводнике затвора больше плотности основных носителей в полупроводнике канала.
На рисунок 3.25 представлена конструкция полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. На подложке из
Рисунок 3.25 – Полевой транзистор с изолированным затвором и
встроенным каналом
полупроводника типа-p, обладающей низким уровнем легирования (низкой плотностью основных носителей зарядов), расположен полупроводник типа-n, являющийся каналом. К нему с одной и с другой стороны подключены контактные группы с выводами и соответствующие истоку и стоку. Затвор представляет собой контактную пластину. Между затвором и каналом расположен изолятор, выполненный, как уже отмечалось из окисла. К подложке подключена контактная пластина, назначение которой будет рассмотрено ниже.
На рисунок 3.26 представлена конструкция полевого транзистора с изолированным затвором и с индуцированным каналом. По конструкции он схож с полевым транзистором с встроенным каналом (рисунок 3.25). Отличается он тем, что у него нет гальванической связи между истоком и стоком - нет в исходном состоянии в явном виде. Он будет с индуцирован, т.е. создан во время работы транзистора, о чем будет сказано ниже.
Рисунок 3.26 – Полевой транзистор с изолированным затвором и
индуцированным каналом
Рассмотрим принцип действия полевых транзисторов.
Полевой транзистор с неизолированным затвором, с управляемым p–n переходом – схема его включения представлена на рисунок.3.21.
Рисунок 3.21 – Схема включения полевого транзистора с
не изолированным затвором
Напряжение к каналу подводится через исток (И) и сток (С). Полярность прикладываемого напряжения (Eс) определяется типом канала и она должна быть такой, чтобы основные носители канала двигались от истока к стоку. На рисунок 3.21 полевой транзистор имеет канал типа–n, где основными носителями являются электроны, поэтому отрицательный потенциал источника (Eс) должен быть приложен к истоку, а положительный к стоку.
Напряжение затвора (Eз) прикладывается относительно истока (рисунок3.21) так, чтобы p–n переход, образуемый между затвором и каналом был под обратным напряжением. Поэтому к затвору прикладывается отрицательный потенциал затворного источника (Eз), а к истоку – положительный потенциал. Обратное напряжение на p–n переходе затвор – канал ведет к возникновению запирающего слоя, толщина которого увеличивается с увеличением обратного напряжения. При различном уровне легирования полупроводников (имеющих различную плотность основных носителей зарядов) увеличение толщины запирающего слоя происходит преобладающе в сторону менее легированного полупроводника. Выше было сказано, что полупроводник канала менее легирован, чем полупроводник затвора, поэтому при увеличении обратного напряжения запирающий слой в основном распространяется в сторону канала (рисунок 3.21). Это приводит к уменьшению сечения канала, что вызывает увеличение его сопротивления. Последнее вызывает уменьшение тока стока. Очевидно, что уменьшение обратного напряжения на затворе ведет к уменьшению толщины запирающего слоя, что вызывает увеличение сечения канала, а, значит, к уменьшению его сопротивления и увеличению тока стока. Таков механизм управления током стока в полевом транзисторе с управляемым p–n переходом.
Следует особо сказать, что в полевом транзисторе с управляемым p–n переходе нельзя подавать на затвор прямое напряжение, т. к. это вызовет большой ток, что приведет к тепловому пробою (перегоранию) p–n перехода.
Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом – схема его включения представлена на рисунок 3.22.
Рисунок 3.22 – Схема включения МОП транзистора
с встроенным каналом
К каналу, как и в выше рассмотренном транзисторе, прикладывается напряжение (Ес) полярностью, при которой создаётся условие движения основных носителей заряда от истока к стоку, т.е. минус на истоке и плюс на стоке. На затвор напряжение (Ез) прикладывается относительно истока. В этом транзисторе к затвору прикладывается напряжение различных полярностей. Рассмотрим каждый из случаев. Когда на затворе минус а на истоке плюс, то в канале на участке затвор – исток этим напряжением создаётся электрическое поле препятствующее движению электронов от истока к стоку. В результате скорость движения электронов уменьшается, что ведёт к уменьшению тока стока. Чем больше отрицательный потенциал на затворе, тем меньше ток стока. Такой режим называется режимом обеднения канала. При изменении полярности на затворе – плюс на затворе и минус на истоке (полярность в скобках), на участке канала исток – затвор создаётся электрическое поле, которое способствует увеличению скорости движения электронов в канале, а, значит, к увеличению тока истока. Такой режим называется режимом обогащения канала.
В процессе работы транзистора некоторая часть электронов диффундирует в подложку. Чтобы там не создавался объёмный заряд, к подложке подсоединена контактная пластина, которая соединена с истоком для возвращения электронов в исток.
Полевой транзистор с изолированным затвором и с индуцированным каналом – схема его включения представлена на рисунок 3.23.
Рисунок 3.23 – Схема включения МОП транзистора
с индуцированным каналом
Особенностью его конструкции является, как отмечалось, отсутствие физического соединения между истоком и стоком, т.е. в исходном состоянии в этом транзисторе канал отсутствует. Сравнивая с предыдущим транзистором (рисунок 3.22) видно, что напряжения подключены совершенно одинаково. При подключении стокового источника (Ес) между истоком и стоком появляется электрическое поле, которое вызывает движение электронов из истока к стоку. В результате в подложке между истоком и стоком создаётся область с движущимися электронами (показано пунктиром), т.е. создаётся (индуцируется) канал. Из-за очень низкой легированности подложки лишь не значительная часть электронов рекомбинирует. Некоторая часть электронов дифиндирует в подложку, создавая объёмный заряд. Устранение его, как и выше, осуществляется через контактную пластину, соединённую с истоком. В этом транзисторе, как и в рассмотренном выше, имеют место два режима – обеднения и обогащения.
3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.
На рисунок 3.24 представлены условные обозначения полевых транзисторов с неизолированным затвором.
Рисунок 3.24 – Условное обозначение полевых транзисторов с неизолированным затвором с каналом типа-n (а) и каналом типа-p (б).
Для отображения типа проводимости канала используется стрелка на затворе. Как видно из рисунка, если стрелка смотрит в канал, то это означает, что канал имеет проводимость типа-n. Стрелка на затворе направленная от канала говорит о том, что канал имеет проводимость типа-p. Канал в обозначении полевого транзистора представлен перемычкой между истоком и стоком.
Условные обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом представлены на рисунок 3.25.
Рисунок 3.25 – Условное обозначение полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом типа-n (а) и типа-p (б).
Из рисунка видно, что затвор не имеет гальванической связи с каналом. При рассмотрении принципа действия полевого транзистора с изолированным затвором было сказано, что подложка соединена с истоком для обеспечения стекания объёмного заряда на исток. Это отображено и в условном обозначении в виде перемычки, на которой размещена стрелка. Направление стрелки говорит о типе проводимости канала - в сторону канала для проводимости типа-n и в сторону от канала для проводимости типа-p.
Условное обозначение для полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом представлены на рисунок 3.26. Как видно, отличие их от условного обозначения для полевого транзистора с встроенным каналом состоит в изображении канала пунктиром.
Рис. 3.26 – Условные обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом типа-n (а) и типа-p (б).
Рассмотрим виды включения полевых транзисторов. Как и для биполярных транзисторов, полевые транзисторы включаются так, что один из выводов будет общим для входных и выходных выводов. В результате могут иметь место схемы включения с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Наиболее распространена схема с общим истоком. На рисунке 3.27 представлены полевые транзисторы без изолированного затвора с каналом типа-n и типа-p, включённые по схеме с общим истоком. При включении полевых транзисторов необходимо правильно указать полярность напряжений между истоком и стоком и на затворе относительно истока.
Рисунок 3.27 – Включение полевого транзистора с неизолированным затвором по схеме с общим истоком с каналом типа-n (а) и типа-p (б)
Полярность напряжения между истоком и стоком должна быть такой, чтобы основные носители канала двигались от истока к стоку. Поэтому следует обратить внимание на то, какая проводимость канала, что обозначается стрелкой.
На рисунке 3.27,а представлен полевой транзистор с каналом типа-n, где основными носителями заряда являются электроны. Чтобы электроны двигались от истока к стоку необходимо приложить отрицательный потенциал к истоку, который будет отталкивать электроны от истока, а положительный заряд к стоку, который будет притягивать электроны к стоку. На рисунке 3.27,б представлен полевой транзистор с каналом типа-p, где основными носителями зарядов являются дырки – положительные заряды. Поэтому, с учётом сказанного, к истоку должен быть приложен положительный заряд, а к стоку - отрицательный.
В полевом транзисторе с неизолированным затвором важно не ошибиться в полярности напряжения прикладываемого к затвору относительно истока. Как отмечалось выше, полярность напряжения должна быть такой, чтобы p-n переход между затвором и каналом был под обратным напряжением. Если ошибочно на затвор подать прямое напряжение, то произойдет тепловой пробой p-n перехода (он сгорит). На рисунке 3.27,а канал типа-n, тогда затвор типа-p и на затвор необходимо прикладывать отрицательный заряд, а на исток - положительный. На рисунке 3.27,б полевой транзистор с каналом типа-p, тогда затвор типа-n и к затвору прикладывается положительный потенциал.
3.3.4 Семейства статических вольтамперных характеристик полевых транзисторов.
У полевого транзистора, как и у биполярного рассматриваются входные и выходные характеристики. Кроме этих характеристик, у полевого транзистора рассматриваются ещё стоко – затворные характеристики.
Входные характеристики у полевого транзистора с неизолированным затвором представляют В.А.Х. p-n перехода при обратном напряжении (рисунок 2.3,б). Величина обратного тока незначительна. У полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора равен нулю и поэтому для них вообще не имеет смысла говорить о входной В.А.Х. На основании изложенного у полевых транзисторов не рассматриваются входные В.А.Х.
Выходные характеристики полевых транзисторов представляют зависимость тока стока () от напряжения на стоке () при определённом значении напряжения на затворе. На рисунке 3.28,а представлены выходные характеристики полевого транзистора с неизолированным затвором.
Рисунок 3.28 – Семейства статических выходных и стоко – затворных характеристик полевого транзистора с неизолированным затвором.
При нулевом потенциале на затворе () сечение канала максимально, его сопротивление минимально, что обеспечивает наибольшее значение тока стока при конкретных значениях стокового напряжения. Эта характеристика занимает самое верхнее положение в семействе выходных характеристик. При установке некоторого напряжения на затворе () увеличивается толщина запирающего слоя (рисунок 3.21), уменьшается сечение канала, возрастает его сопротивление, что ведёт к уменьшению тока стока при тех же значениях стокового напряжения. Эта характеристика располагается ниже предыдущей характеристики. Аналогично объясняется поведение остальных выходных характеристик.
На рисунке 3.28,б представлено семейство стоко – затворных характеристик полевого транзистора с неизолированным затвором. Эти характеристики показывают, как изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе для определённого значения напряжения на стоке. Они строятся с помощью семейства выходных статических характеристик, на которых выбирается определённое значение напряжения на стоке () и проводится вертикальная линия до пересечения со всеми характеристиками. В точках пересечения берётся значение тока стока () и значение напряжения затвора (), при котором снималась эта характеристика. Найденные значения откладываются на координатных осях стоко – затворной характеристики. С увеличением напряжения стока увеличивается ток стока, что вызывает более высокое расположение стоко – затворных характеристик.
При определённом значении напряжения на затворе запирающий слой затвор – канал полностью перекрывает канал и прекращается протекание тока стока. Это напряжение называется напряжением отсечки ().
Выходные и стоко – затворные характеристики для полевых транзисторов с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналом имеют одинаковый вид и представлены на рисунке 3.29. Особенностью этих транзисторов является то, что к затвору может прикладываться напряжение различной полярности.
Рисунок 3.29 – Семейства статических выходных (а) и стоко – затворных (б) характеристик полевого транзистора с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналами.
Рассмотрим выходные характеристики (рисунок 3.29,а). При нулевом напряжении на затворе () ток стока определяется омическим сопротивлением канала и величиной напряжения между истоком и стоком (). Допустим, что канал типа-n. Тогда при отрицательном потенциале на затворе происходит обеднение канала, и ток стока будет иметь меньшее значение при тех же напряжениях на стоке, и характеристики идут ниже характеристики с нулевым напряжением на затворе. При положительном потенциале на затворе () происходит обогащение канала, и ток стока имеет большее значение при тех же значениях напряжения на стоке, и характеристики идут выше характеристики с нулевым напряжением на затворе.
Семейство стока – затворных характеристик строится аналогично рассмотренному выше, т.е. с помощью семейства выходных характеристик. Из-за возможности прикладывать к затвору и положительный потенциал, стоко – затворные характеристики теперь продолжаются и в первый квадрант.
При определённом уровне отрицательного потенциала на затворе полностью останавливается движение электронов в канале, и ток стока прекращается. Это напряжение на затворе называется напряжением отсечки ().