В дрейфовых транзисторах путем специального распределения примесей в базе создается внутреннее электрическое поле и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется как посредством дрейфа, так и посредством диффузии.

Большинство современных транзисторов являются дрейфовыми транзисторами. Однако для упрощения объяснений работы рассмотрим бездрейфовый транзистор, схематично показанный на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 - Схематичное изображение биполярного транзистора

Рассмотрим принцип работы транзистора n-p-n типа. Транзистор может быть использован в различных режимах:

1. Оба n-p-перехода смещены в обратном направлении - режим отсечки.

2. Оба перехода смещены в прямом направлении - режим насыщения.

3. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном - это активный режим.

Рассмотрим активный режим работы транзистора. В этом случае происходит следующее:

1. Потенциальный барьер эмиттерного перехода снижен за счет приложенного напряжения U_эб до величины, равной _о - U_эб.

При этом ширина обедненного слоя уменьшится, поскольку

,

где е - относительная диэлектрическая проницаемость материала;

е_о - абсолютная диэлектрическая проницаемость.

2. Потенциальный барьер на коллекторном переходе возрастет до величины, равной _о -U_кб, и соответственно увеличится ширина обедненного слоя.

3. Через эмиттерный переход в базу инжектируются электроны.

Уровень инжекции определяется отношением концентрации инжектированных электронов к их равновесной концентрации в базе.

4. Ширина базы W_б выбирается такой, что W_б << L_n, где L_n - диффузионная длина электрона. Поэтому большинство электронов, инжектированных эмиттером, достигают коллектора, не успев рекомбинировать с дырками базы. У современных кремниевых транзисторов W_б =1 мкм, тогда как диффузионная длина электрона составляет 5…10 мкм.

5. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают в ускоряющее поле и втягиваются в коллектор.

6. В бездрейфовых транзисторах база должна быть электрически нейтральной. Из-за частичной рекомбинации электронов нейтральность будет нарушена. Для ее восстановления, т.е. для восполнения положительного заряда дырок в установившемся режиме от источника напряжения U_эб в базу вводится необходимое количество дырок, которые образуют рекомбинационный ток базы. Физически это соответствует оттоку избытка электронов к источнику U_эб.

7. Кроме того, в цепи базы протекает ток I_кбо, являющийся обратным током коллекторного перехода.

8. Ток коллектора, текущий через коллекторный переход, зависит от тока эмиттерного перехода:

I_б = I_э - I_к.

6.2 Коэффициент передачи тока эмиттера и вольт-амперная характеристика

Ток эмиттера, строго говоря, определяется не только электронами, но и дырками. Коллекторный ток, зависимый от I_э, определяется только электронами. Поэтому вводится понятие эффективности эмиттера.



,

где I_эn - электронная составляющая тока эмиттера;

I_эp - дырочная составляющая тока эмиттера.

Коэффициентом переноса носителей через базу является отношение

Статическим коэффициентом передачи тока эмиттера называется выражение ₀ = .

Для серийно выпускаемых транзисторов ₀ 0,9... 0,999.

Рассмотрим ход ВАХ, связывающих I_к и U_кб, а также I_э и U_эб. Зависимости I_к = f(U_кб) и I_э = f(U_эб) обычно называют коллекторными и эмиттерными ВАХ.

Нарисуем типичные кривые (рисунки 6.4, и 6.5).

Рисунок 6.4 - Коллекторные ВАХ транзистора

I_э =0.

I_э3 > I_э2 > I_э1.

Параметром коллекторных ВАХ является ток эмиттера.

Рисунок 6.5 - Эмитерные ВАХ транзистора

Параметром эмиттерных ВАХ является напряжение коллектор-база.

При токе I_э =0 в коллекторной цепи протекает обратный ток КП (то есть I_кбо), образованный неосновными носителями. Этот ток зависит от U_кб, также как и ток диода, смещенного в обратном направлении. При I_э 0 в базу инжектируются электроны, и большая их часть достигает коллектора. Ток коллектора, обусловленный током эмиттера, будет равен ₀ I_э. Изменение коллекторного напряжения от 0 до больших отрицательных значений лишь в очень слабой степени влияет на ток коллектора, так как коллектор собирает все электроны независимо от U_кб.

Наблюдаемое небольшое увеличение I_к с увеличением U_кб объясняется тем, что увеличение U_кб приводит к расширению коллекторного перехода, уменьшается ширина базы, и это позволяет немного увеличить _0. Таким образом, полный ток коллектора I_к =I_э + I_кбо, а ток базы I_б = I_э - I_к.

При больших напряжениях U_кб ток коллектора резко возрастает вследствие пробоя перехода. При прямом смещении КП, как видно из ВАХ, ток коллектора уменьшается, доходит до 0, а затем меняет направление. Это объясняется тем, что при прямом смещении КП его поле становится тормозящим для электронов, движущихся из базы в коллектор, а также тем, что появляется прямой ток КП, направленный навстречу току, вызванному I_э.

Характеристики I_к = f(U_кб) построены в третьем квадранте, так как коллекторное напряжение является обратным, а ток коллектора образован неосновными носителями заряда.

Эмиттерные ВАХ показаны на рисунке 6.5.

При U_кб = 0 ВАХ аналогична диодной ВАХ. При U_кб 0 характеристика смещается вверх, так как происходит расширение коллекторного перехода и уменьшение ширины базы. В этом случае при том же напряжении U_эб, что и для характеристики, соответствующей U_кб =0, увеличивается градиент концентрации электронов в базе. Это, в свою очередь, приводит к увеличению тока эмиттера. Так как обычно коллектор легирован слабее эмиттера и площадь КП больше площади ЭП, транзистор не является симметричным прибором. Однако эмиттер и коллектор при включении можно менять местами. Такое включение называется инверсным. Коэффициент передачи тока _0i эмиттера (когда коллектор стал эмиттером) меньше, чем при прямом включении. Это обусловлено меньшей электронной составляющей тока коллектора и ухудшением сбора электронов коллектором меньшей площади.

6.3 Математическая модель транзистора и его ВАХ

Для расчетов реальный транзистор заменяется эквивалентной схемой, показанной на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 - Эквивалентная схема биполярного транзистора

В этой схеме транзистор представлен в виде двух диодов, имитирующих эмиттерный переход и коллекторный переход, параллельно которым включены источники тока _0iI₂ и ₀I₁, учитывающие взаимодействие переходов в реальных транзисторах. Эквивалентная схема получена с учетом следующих допущений:

пренебрегли сопротивлением базы;

при изменении напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах, условия распространения носителей в базе не меняются.

Подобные упрощения позволяют очень просто связать I_э, I_к, I_б с U_эб, U_кб. Напомним, что если эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и через него течет ток I₁, то ток в КП I₂ оказывается меньше за счет рекомбинации носителей в базе. В схеме это учтено генератором тока ₀ I₁. Аналогично при инверсном включении передача тока от перехода, играющего роль эмиттерного, к коллекторному переходу учтена генератором _0iI₂. Непосредственно из приведенного рисунка следует, что:

Как уже известно для каждого p-n-перехода вольт-амперная характеристика описывается уравнением

где I'_э0 и I'_к0 - обратные тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов при обратных напряжениях на этих переходах

Измерение I'_э0 производится при U_кб =0 а измерение I'_к0 при U_эб =0 Положительный знак U_эб и U_кб соответствует транзисторам p-n-p типа отрицательный - транзисторам n-p-n типов. При измерениях коллекторных ВАХ транзистора ток эмиттерного перехода имеет фиксированную величину или его цепь разомкнута (смотри характеристику, соответствующую I_э=0) Если тепловой ток эмиттера при разомкнутой цепи обозначить I_э0 а ток коллектора при разомкнутой цепи эмиттера (холостой ход) - I_к0 то на основании того, что

Подставим I₂ = ₀I₁ в первое из приведенных соотношений и при I₁ = I'_э0 получим I₁ = I'_э0 - _{0i 0} I₁, отсюда

Аналогично получим выражение:

Подставляя I₁ и I₂ из выражений для ВАХ, получаем выражения для статических ВАХ транзистора:

Приведенные выражения являются математической моделью идеализированного транзистора для режима больших сигналов называемой моделью Эберса-Молли



Лекция 7. Способы включения и свойства транзисторов

7.1 Способы включения и ВАХ биполярного транзистора

При использовании транзисторов имеющих три вывода (электрода) один из них всегда оказывается общим для входной и выходной цепей

Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Получаются три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) общим эмиттером (ОЭ) общим коллектором (ОК), показанные на рисунке 8.1.

а) б) в)

Рисунок 7.1 - Возможные способы включения транзистора: а - с общей базой; б - с общим эмиттером; в - с общим коллектором

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входных выходных прямой передачи (проходных) обратной передачи (обратной связи) Входной называется характеристика I₁=f(U₁) при U₂=const показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем измеренным относительно общего электрода Выходной называется характеристика I₂=f(U₂) при I₁=const показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем измеренным относительно общего электрода Характеристики I₂=f(I₁) или I₂=f(U₁) при U₂=const называются характеристиками прямой передачи Характеристики U₁=f(U₂) при I₁=const называются характеристиками обратной передачи. В справочниках обычно приведены усредненные семейства входных выходных и очень редко характеристик прямой передачи включенных по схеме с общим эмиттером и общей базой

7.2 Вольт-амперная характеристика транзистора включенного по схеме с общей базой

Рассмотренные нами в предыдущей лекции вольт-амперные характеристики (ВАХ) являются входными и выходными характеристиками транзистора включенного по схеме с общей базой (ОБ). При этом I₁=I_э, I₂=I_к, U₁=U_эб, U₂=U_кб [то есть I_э=f(U_эб) и I_к=f(U_кб)].

Получим выходную характеристику при включении транзистора с ОБ Из известной нам теории Эберса - Молли:

Величину найдем из выражения для I_э теории Эберса - Молли:

и, подставив в выражение для I_к, получим:

Учитывая, что и обратный ток коллектора I'_к0 получен при напряжении эмиттер-база U_эб=0, При U_эб?0 имеем:



- выходную ВАХ транзистора, то есть I_к= f(U_кб) а параметром является I_э

Входная характеристика соответствует известному выражению из теории Эберса-Молли:

,

но для удобства обычно записывают по-другому (то есть представляют в другом виде):

При U_кб>3_т формулы для I_к и U_эб упрощаются и принимают следующий вид:

Из этих соотношений следует, что в активном режиме коллекторное напряжение не влияет на ход входной и выходной характеристик

Графически ВАХ изображены на рисунках 7.2 и 7.3.

а) б)

Рисунок 7.2 - ВАХ транзистора, включенного по схеме с общей базой: а - коллекторные ВАХ; б - эмиттерные ВАХ

Рисунок 7.3 - Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с общей базой

При U_кб =0 выражение для U_эб принимает вид

U_эб= _тln(I_э/I'_э0+1).

При обратных напряжениях и при условии что Uкб>3т и входная характеристика смещается вверх по отношению к характеристике при U_кб =0 (активный режим) и вниз при U_кб <0 (режим насыщения) Обычно интерес представляют начальные участки входных характеристик в увеличенном масштабе, показанные на рисунке 8.3 (знаки напряжений соответствуют транзисторам n-p-n типа) Теоретические и реальные характеристики мало отличаются друг от друга Выходные характеристики реального транзистора (см. рисунок 8.2, а) имеют конечный наклон, а входные характеристики (см. рисунок 8.3) несколько смещаются при изменениях U_кб если оно является обратнымI_кб0 является обратным током измеренным при I_э=0.

7.3 ВАХ транзистора включенного по схеме с общим эмиттером

При таком включении входной ток I_б=I₁ входное напряжение U_бэ, выходной ток I_к=I₂ выходное напряжение U_кэ Теоретическое выражение вновь получается из теории Эберса - Молли

Выражения для I_б I_к получим, заменив в формулах положительные значения напряжений на отрицательные (U_эб=-U_бэ U_кб=Uкэ-Uбэ).

Параметрами будут являться U_кэ и I_б Реальные ВАХ транзистора I_б=f(U_бэ) при U_кэ= const внешне схожи с входными характеристиками транзистора по схеме с общей базой (ОБ) Однако I_б<<I_э и его приращение при том же изменении напряжения между базой и эмиттером что в схеме с общей базой значительно меньше (рисунок 8.4).

При U_кэ=0 то есть когда электроды коллектора (К) и эмиттера (Э) замкнуты накоротко, к обоим переходам приложено прямое напряжение U_бэ Ток базы в этом случае является суммой токов эмиттерного и коллекторного переходов Величина его мала тк. при реальных напряжениях U_бэ и сопротивлении базы (десятки и более Ом) на котором падает часть входного напряжения прямое напряжение эмиттерного перехода составляет меньше ₀ (менее 01 В)

При U_кэ > 0 характеристика сдвигается вправо и ток базы I_б существенно уменьшается по сравнению со случаем U_кэ =0

Рисунок 7.4 - Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Основные причины происходящего заключаются в следующем:

КП смещается в обратном направлении, и его ток уменьшается до величины обратного тока;

прямой ток базы тоже мал, так как обусловлен только процессами рекомбинации.

Уменьшение тока базы при повышении U_кэ происходит еще и вследствие изменения ширины базы Чем выше U_кэ тем больше напряжение на коллекторе и тем он шире Ширина базы при этом уменьшается и в ней происходит меньше актов рекомбинации. В целом изменение U_кэ в режиме когда U_кэ >0, мало влияет на ток базы, и входные характеристики для различных U_кэ почти сливаются Поэтому в справочниках обычно приводится входная характеристика для некоторого значения U_кэ и характеристика при U_кэ=0 На рисунке 7.5 показан начальный участок в увеличенном масштабе

Рисунок 7.5 - Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (увеличено)

Теперь поговорим о выходных характеристиках. Найдем связь I_к с током базы с учетом того что:

Обозначим и, имея в виду, что ₀ 1, получим:

где ₀ - статический коэффициент передачи тока базы (₀ лежит в пределах от 10 до 300)

Выходные характеристики I_к = f(U_кэ) в схеме с ОЭ при I_б = const отличаются от выходных характеристик по схеме с общей базой (рисунок 7.6).

Рис. 7.6 - Коллекторные ВАХ транзистора, включенного по схеме с общей базой

Основные их отличия:

1. I_к=f(U_кэ) расположена только в первом квадранте а характеристика I_к=f(U_кб) расположена в первом и втором квадрантах.

2. В схеме с ОЭ выходные ВАХ на пологом участке имеют больший наклон Причины этого следующие:

а) При увеличении U_кэ уменьшается ширина базы увеличивается ₀ что приводит к заметному увеличению и соответственно росту I_к.

б) Часть напряжения U_кэ через делитель напряжения образованный сопротивлениями коллектора коллекторного перехода и базы оказывается приложенной к эммитерному переходу (ЭП) в прямом направлении. При увеличении U_кэ прямое напряжение на ЭП увеличивается и ток эмиттера растет и, следовательно растет I_к. При больших U_кэ наблюдается резкое увеличение тока обусловленное пробоем Чем больше I_б тем при меньших U_к наступает пробой.

3. Смещение КП в прямом направлении происходит при положительных напряжениях на коллекторе если выполняется соотношение U_кэ<U_бэ

В схеме с ОЭ это происходит при отрицательных напряжениях на коллекторе. Поэтому крутой восходящий участок соответствует малым положительным напряжениям U_кэ Для расчетов транзистора достаточно иметь входные и выходные характеристики транзистора

7.4 Транзистор как активный четырехполюсник Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Как мы с вами установили токи и напряжения в транзисторе в общем случае связаны нелинейными функциональными зависимостями Достаточно часто в электрических устройствах транзистор работает с сигналами, которые в области рабочей точки связаны между собой линейно. Это значит, что ВАХ транзистора в области рабочей точки может считаться линейной и характеризоваться дифференциальными параметрами Сигналы, при которых I и U связаны линейно называются малыми сигналами. При использовании дифференциальных параметров транзистор может быть представлен линейным активным четырехполюсником на входе которого действуют переменные напряжение u₁ и ток i₁ а на выходе - u₂ и i₂ (рисунок 7.7). В зависимости от схемы включения значениям u₁ i₁ u₂ i₂ будут соответствовать те или иные реальные напряжения и токи. Например, для схемы с ОЭ u₁ =U_бэ i₁ =I_б u₂ =U_кэ i₂ =I_к Направление токов и напряжений выбирается, как показано на рисунке 8.7. В общем случае возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания функциональной связи токов и напряжений в четырехполюснике Обычно ограничиваются двумя что мы и будем делать

1-й вариант Независимые переменные u₁, u₂, зависимые i₁,i₂.

2-й вариант Независимые переменные i₁, u₂, зависимые i₂ и u₁.

В первом случае транзистор описывается y-параметрами во втором случае - h-параметрами

Рисунок 7.7 - Изображение транзистора как активного четырехполюсника

Представим связь в форме i₁=f(u₁ u₂) i₂=f(u₁, u₂₎.

Полные дифференциалы функций записываются в виде:

Допустим, что du₁ и du₂ - малые переменные напряжения с комплексными амплитудами U_m1 и U_m2 а di₁ и di₂ - гармонические колебания токов с комплексными амплитудами I_m1 и I_m1. Тогда частные производные можно заменить проводимостями Y тоже в общем случае комплексными Уравнения полных дифференциалов можно представить в виде:

где y₁₁ - входная проводимость транзистора,

y₁₁ = (I_m1/ U_m1)_{Um2 =0};

y₁₂ - проводимость обратной передачи транзистора,

y₁₂ = (I_m1/ U_m2)_{Um1 =0};

y₂₁ - проводимость прямой передачи транзистора,



y₂₁ = (I_m2/ U_m1 )_{Um2 =0};

y₂₂ - выходная проводимость транзистора,

y₂₂ = (I_m2/ U_m2 )_{Um1 =0}.

Условия U_m1 =0 и U_m2 =0 означают, что при измерении того или иного параметра должно быть обеспечено короткое замыкание (по переменному току) входных или выходных выводов четырехполюсника

y₂₁ характеризует зависимость выходного тока от входного напряжения и называется крутизной

Описание четырехполюсника h-параметрами имеет следующий вид:

где h₁₁ - входное сопротивление транзистора, h₁₁ =(U_m1/I_m1) _Um2=0;

h₁₂ - коэффициент обратной связи по напряжению,

h₁₂ =(U_m1/U_m2) _Im1=0;

h₂₁ - коэффициент передачи тока,

h₂₁ =(I_m2/I_m1) _Um2=0;

h₂₂ - выходная проводимость транзистора,

h₂₂ =(I_m2/U_m2 ) _Im1=0.

Условие I_m1=0 означает, что во входной цепи обеспечен режим холостого хода по переменному току Режим короткого замыкания и холостого хода может быть реализован соответствующим включением конденсатора и катушки индуктивности Единицы измерений h-пара-метров различны: h₁₁ - омы h₂₂ - сименсы h₁₂ и h₂₁ - безразмерные величины

В литературе часто обозначают h₂₁ как (для схемы с ОБ) и как для схем с ОЭ. Как соотносятся малосигнальные параметры с введенными ранее статическими коэффициентами передачи токов эмиттера и базы ₀ и ₀ измеренными в режиме большого сигнала. Для качественных оценок и приближенных расчетов при условии, что инерционностью транзистора можно пренебречь допустимо считать, что _{0 0}. Когда инерционностью нельзя пренебречь, и - комплексные величины. Между дифференциальными параметрами существует однозначная связь:

таким образом, если известны h-параметры y-параметры вычисляются однозначно

При переходе от одной схемы включения к другой численные значения параметров меняются. Чтобы отличить, обозначают буквенными индексами: б - ОБ к - ОК э - ОЭ

Пересчеты осуществляются по формулам, приводимым в справочной литературе. Рассмотренные системы имеют разные области применения. На низких частотах удобнее работать с h-параметрами Заводы-изготовители дают эти параметры для схем с ОБ или с ОЭ Технические условия требуют измерения h-параметров на частоте менее 1 КГц Часть данных может быть для схемы с ОЭ (h_21э) или ОБ. На высоких частотах просто измеряются y-параметры

Если переменные токи в цепях транзисторов имеют частоту, при которой можно пренебречь инерционностью транзистора то дифференциальные параметры транзистора, как четырехполюсника, будут чисто активными

Частоты, до которых параметры могут считаться активными, указаны в справочной литературе и составляют полосу частот от 10 КГц до 100 МГц Низкочастотные значения параметров могут быть определены по ВАХ

7.5 Физическая эквивалентная схема биполярного транзистора

Транзистор работает в активном режиме при малом уровне сигнала. Схема содержит только линейные элементы, и транзистор рассматривается как активный линейный четырехполюсник. В схеме отражены инерционные свойства транзистора (рисунок 7.8).

Рисунок 7.8 - Физическая эквивалентная схема биполярного транзистора

C_б'э, g_б'э имитирует эмиттерный переход (ЭП)

r_б учитывает активное сопротивление базовой области

C_б'к, g_б'к имитирует КП

Активные свойства учтены источником тока GU_mбэ (G - крутизна)

G =dI_к / dU_{б'э Uкэ=0}

Влияние напряжения U_кэ на ток коллектора учтено включением проводимости g_кэ Всегда выполняется условие C_б'э >> C_б'к , g_б'э >> g_б'к, r_б= (10…100 Ом)

Устанавливается связь между y-параметрами транзистора и элементами физической схемы. Получаем:

где - постоянная времени транзистора, ? C_б'эr_б;

где

При 0 y₁₁ = g₁₁ при y₁₁ =1/ r_б.

где S - крутизна на низкой частоте, S = G/(1+r_бg ).

При 0 y₂₂= g₂₂+jC_б'к (1+Sr_б), где C_б'к (1+Sr_б)=С_вых - выходная емкость транзистора

При y₂₂= g₂₂+jC_б'к.

где y₁₂ незначительно влияет на работу схемы. Поэтому обычно достаточно: y₁₂ = - jC_б'к.

Все вычисляются через параметры эквивалентной схемы. Обычно в справочниках приводят max _ос и C_б'к при заданном коллекторном напряжении. Тогда

T_{б max} = _{ос max} / C_б'к,

где - коэффициент (1 - для сплавных технологий 2 - для дифференциальной технологии)

,

где f_г - граничная частота



Лекция 8. Полевые транзисторы

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, в котором управление током происходит электрическим полем, вызывающим изменение сопротивления полупроводникового слоя, проводящего ток.

8.1 Устройство и принцип работы полевого транзистора

Устройство и принцип действия полевого транзистора с электронно-дырочным переходом показаны на рисунке 8.1.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.1 - Схематичное изображение полевого транзистора

При изготовлении полевого транзистора с p-n-переходом на каждую из боковых граней пластин n- или p-полупроводника наносят слой материала с противоположным типом проводимости. Эти слои в местах контакта образуют односторонние n-p-переходы.

Оба слоя чаще всего электрически объединены и образуют электрод, называемый затвором.

Торцы пластин также снабжены электродами, имеющими контакты для включения в цепь. К этим электродам подключается источник постоянного напряжения Uси.

Электрод, от которого под действием электрического поля движутся носители зарядов, называется истоком И, электрод, собирающий носители зарядов, называется стоком С.

При включении С и И можно менять местами, тогда включение будет называться инверсным.

Объем, заключенный между n-p-переходами называется каналом. Условные обозначения транзисторов с каналами n- и p-типа показаны на рисунке 8.2.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

а) б)

Рисунок 8.2 - УГО полевого транзистора: а - с каналом n-типа; б - с каналом p-типа

В качестве примера рассмотрим пластину из полупроводника р-типа. В этом случае сток подключен к отрицательному полюсу источника ЭДС, а исток - к положительному. Если к затвору прикладывается положительное по отношению к истоку и являющееся обратным для n-p перехода напряжение U_ЗИ, то толщина обедненного n-p-перехода увеличивается, а сечение канала уменьшается. Следовательно, изменяя U_ЗИ можно изменять сечение канала и, соответственно, изменять электрическое сопротивление канала.

В результате будет меняться ток I_С, протекающий в цепи исток-сток, под действием приложенного к стоку напряжения.

Если исток и сток заземлены, то сечение канала на всем протяжении будет одинаковым, т.к. обратное смещение n-p-переходов постоянно и равно U_ЗИ.

При достаточно большом положительном смещении на затворе обедненный слой перехода займет весь канал.

Для того чтобы толщина обедненного слоя изменялась главным образом в сторону канала, область затвора должна иметь повышенную проводимость по отношению к исходной пластинке.

Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называется напряжением отсечки U_{ЗИ ОТС}.

Приложение напряжения U_СИ меняет конфигурацию канала. Потенциал канала у истока равен нулю, а вблизи стока - U_СИ.

Напряжение на n-p-переходе вблизи истока будет равно U_ЗИ, а вблизи стока - U_ЗИ + U_СИ.

Область обедненного слоя у стокового конца расширяется. В цепи затвора протекает малый ток обратного смещения n-p-перехода I_З. Поэтому входная проводимость полевого транзистора для постоянного тока и переменного тока НЧ может быть очень малой.

8.2 Статические характеристики полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Если полевой транзистор выполнить по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений может быть охарактеризована следующими ВАХ:

- входная характеристика,

- характеристика обратной передачи,

- характеристика прямой передачи или стокозатворная характеристика,

- выходная характеристика.

Обычно применяют две последние характеристики. Пример типичных ВАХ полевого транзистора с n-p-переходом представлен на рисунке 9.3. U_ЗИ1 > U_ЗИ2 > U_ЗИ3 > U_ЗИ4.

Рисунок 8.3 - ВАХ полевого транзистора

Рассмотрим зависимость I_С=f(U_СИ) при U_ЗИ=0.

При малых отрицательных напряжениях U_СИ ток I_С увеличивается почти линейно. В этой области транзистор работает как управляемое омическое сопротивление.

Область I семейства называется крутой.

Далее линейная зависимость между I_C и U_CИ нарушается, т.к. уменьшается сечение канала и увеличивается его сопротивление. Начиная с некоторого напряжения U_СИ рост тока I_С практически нарушается и его величина практически не зависит от U_СИ, т.к. увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, а с другой стороны, сужение канала, которое, в свою очередь, уменьшает ток. Напряжение, при котором возникает этот режим, называется напряжением насыщения U_{СИ НАС}.

Область II называется областью насыщения.

Увеличение U_СИ выше предельного приводит к пробою n-p-перехода у стоковой области канала (область II), т.к. в этой области к переходу приложено максимальное обратное напряжение.

При подаче на затвор обратного напряжения область насыщения будет соответствовать меньшим по модулю значениям напряжения на стоке. Меньшим становится и ток в области насыщения. Пробой также наступает при меньших значениях |U_СИ|. Если управляющий n-p-переход сместить в прямом направлении, ток стока увеличится. При этом резко возрастет проводимость транзистора. Такой режим на практике не используется.

Характеристика прямой передачи I_С=f(U_ЗИ) при U_СИ=const может быть получена из семейства выходных характеристик, если при фиксированном напряжении U_СИ отмечать величину напряжения U_ЗИ и соответствующее ему значение I_С. Изменение U_СИ в пределах области насыщения мало влияет на поведение стокозатворной характеристики (рисунок 8.4).

Рисунок 8.4 - ВАХ прямой передачи полевого транзистора

8.3 МДП-транзисторы с индуцированным каналом

МДП-транзистор с индуцированным каналом показан на рисунке 8.5.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

а) б)

Рисунок 8.5 - УГО МДП-транзистора с индуцированным каналом: а - с каналом n-типа; б - с каналом p-типа

МДП-транзистор обладает следующими свойствами:

- затвор и канал изолированы диэлектриком;

- каналом является тонкий слой на поверхности пластины;

- затвор это тонкий слой алюминия (Al), нанесенный на поверхность окисла кремния;

- исток и сток выполнены в виде сильно легированных р-областей (р10¹⁸...10²⁰ см^-3) в пластине кремния n-типа (рисунок 8.6).

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.6 - Схематичное изображение МДП-транзистора с индуцированным каналом

Принцип работы МДП-транзистора:

1. Напряжения на затворе нет. Сопротивление между истоком (И) и стоком (C) определяется двумя включенными встречно р-n-переходами.

2. Возникновение проводимости обусловлено эффектом поля, т.е. изменением концентрации носителей в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля.

3. При подаче на затвор отрицательного по отношению к истоку напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое вытягивает из n-подложки дырки, увеличивая их концентрацию в тонком приповерхностном слое и изменяя его проводимость на противоположную.

4. При увеличении отрицательного напряжения затвора толщина р_слоя увеличивается и его проводимость возрастает.

Таким образом, обеспечивается управление током стока транзистора.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

8.4 МДП-транзистор со встроенным каналом

На этапе изготовления канал образуется тонким слоем полупроводника, нанесенного на подложку и имеющего противоположный по отношению к ней тип проводимости.

Выходные характеристики I_с=f(U_СИ) при U_ЗИ=const показаны на рисунке 8.7.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.7 - Выходные характеристики МДП-транзистора с встроенным каналом

Характеристики прямой передачи I_С=f(U_ЗИ) при U_СИ=const показаны на рисунке 8.8. Напряжение U_{ЗИ ОТС} соответствует положению, при котором канал равен нулю.

Полевые транзисторы с индукционным каналом получили большее применение, чем транзисторы со встроенным каналом.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.8 - Характеристики прямой передачи МДП-транзистора с встроенным каналом

8.5 ВАХ полевого транзистора (математическая модель)

8.5.1 Транзистор с управляющим n-р-переходом

Поведение выходной характеристики в начальной области

,

где I_{С НАС} - начальный ток стока при U_ЗИ =0;

U_{ЗИ ОТС} - напряжение отсечки.

В области насыщения

.

8.5.2 Транзистор с изолированным затвором

,

где S_УД - удельная крутизна, зависящая от конструкции, материала и размеров канала.

В области насыщения:

.

8.6 Дифференциальные параметры полевого транзистора

Полевой транзистор, как и биполярный, может быть представлен активным четырехполюсником и при работе с малыми сигналами охарактеризован дифференциальными параметрами.

На практике в качестве дифференциальных параметров на НЧ используют:

1. Крутизну стокозатворной ВАХ полевого транзистора:

,

где S - крутизна;

U_СИ - напряжение между стоком и истоком;

I_С - ток стока;

U_ЗИ - напряжение межу затвором и истоком.

2. Входную проводимость полевого транзистора

,

где S - крутизна;

Iз - ток затвора;

U_ЗИ - напряжение между затвором и истоком;

U_СИ - напряжение между стоком и истоком.

3. Выходную проводимость

,

где S - крутизна;

Ic - ток стока;

U_СИ - напряжение между стоком и истоком;

U _ЗИ - напряжение между затвором и истоком.

Часто при расчетах используют выходное сопротивление (оно в области насыщения у маломощных транзисторов равно 10…100 кОм).

Кроме того, полевой транзистор характеризуется статическим коэффициентом усиления:

,

где S - крутизна;

R_i - выходное сопротивление;

U_СИ - напряжение между стоком и истоком;

U_ЗИ - напряжение между затвором и истоком;

Ic - ток стока.

Знак (-) означает, что для сохранения неизменной величины тока стока при определении знаки приращений напряжений U_СИ и U_ЗИ должны быть разными.

8.7 Физическая эквивалентная схема полевого транзистора

Физическая эквивалентная схема показана на рисунке 8.9.

Усилительные свойства транзистора отражаются идеальным генератором SUmзи.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.9 - Физическая эквивалентная схема полевого транзистора

Проводимость g₂₂ характеризует выходную проводимость транзистора.

Емкость С_СИ - для транзистора с управляющим n-p-переходом определяется емкостью между электродами стока и истока.

В МДП-транзисторе С_СИ существенно выше.

С_ЗИ и С_ЗС - это барьерные емкости (поскольку полевой транзистор работает с обратно смещенным n-p-переходом). Для МДП-транзистора емкости затвора относительно областей С и U имеют следующие значения: С_ЗИ=2…15 пФ; С_ЗИ=0,3…10 пФ для всех; для МДП С_ИС=3…15 пФ; для транзистора с n-p-переходом С_ИС<1 пФ.

Рассмотренная схема справедлива до частоты, равной 0,7f_гр.

Частота f_Г, на которой коэффициент усиления по мощности в режиме согласования по входу и выходу равен единице, называется предельной частотой генерации транзистора.

,

где r_u - сопротивление неуправляемого участка канала вблизи области истока, зависящее от тока насыщения, как правило, не превышающее несколько десятков Ом.

Из приведенной схемы определяют у-параметры (т.е. определяют соответствие между параметрами эквивалентной схемы и y-пара-метрами транзистора).

;;

;.

Знак минус в формуле для y₁₂ означает, что ток во входной цепи, вызванный напряжением Uси вследствие обратной связи в транзисторе, имеет направление, противоположное току, которое принято положительным для тока затвора. Из условий следует, что с ростом рабочей частоты транзистора величины всех проводимостей растут. Поскольку Сзс мала, ее влияние на достаточно высоких частотах приобретают

.

8.8 Зависимость параметров полевого транзистора от режима работы

1. Низкочастотные значения крутизны S и выходной проводимости g₂₂ существенно зависят от режима работы.

Крутизна является линейной функцией напряжения на затворе и растет с увеличением тока стока (рисунки 8.10 и 8.11).

Рисунок 8.10 - Зависимость крутизны и выходной проводимости полевого транзистора от напряжения на затворе

Выходная проводимость уменьшается с ростом обратного напряжения на затворе.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.11 - Зависимость крутизны и выходной проводимости полевого транзистора от тока стока

Кроме того, выходная проводимость существенно зависит от напряжения на стоке (рисунок 8.12).

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.12 - Зависимость выходной проводимости от напряжения на стоке полевого транзистора

Из рисунка 8.12 следует, что выходная проводимость резко начинает увеличиваться, начиная с некоторого Uси_1.

8.9 Влияние температуры окружающей среды на режим работы полевого транзистора

Характеристики и параметры подвержены влиянию температуры. Изменение температуры приводит к изменению контактной разности потенциалов n-p-перехода, подвижности носителей зарядов, что вызывает температурную нестабильность тока стока I_С, напряжения отсечки U_{ЗИ ОТС}, порогового напряжения, крутизны и обратного тока затвора.

C одной стороны, с повышением температуры, уменьшается тепловой потенциал ₀, глубина проникновения n-p-переходов в пластину полупроводника p-типа и сопротивление канала, что должно привести к увеличению тока стока.

С другой стороны, с уменьшением температуры уменьшается подвижность носителей (дырок в данном случае), что приводит к уменьшению тока стока.

Результирующее изменение тока стока может быть не положительным, а отрицательным.

В итоге возникают условия, при которых Iс не будет изменяться с изменением температуры.

Построим семейства характеристик прямой передачи полевого транзистора при различных температурах (рисунок 8.13).

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.13 - Зависимость характеристики прямой передачи полевого транзистора от температуры

Ток стока с увеличением температуры (Т) уменьшается, и температурный коэффициент тока стока оказывается отрицательным, что показано на рисунке 8.14.

Температурный коэффициент тока стока отрицателен, если U_ЗИ<U_ОЗИ, и положителен, если U_ЗИ>U_ОЗИ. При U_ОЗИ=0 ток стока практически не зависит от температуры окружающей среды.

Точка на характеристике прямой передачи, соответствующая Uози, называется термостабильной, ток в ней - термостабильным током. Режим термостабильного тока может использоваться в усилителях, но следует иметь в виду, что крутизна в этой точке мала и зависит от температуры.

Из этого не следует делать вывод о возможности получения температурной стабильности выходного тока транзистора, т.к. ток затвора, является током обратно смещенного n-p-перехода, принципиально зависит от температуры, что приводит к нестабильности смещения затвора и, следовательно, к нестабильности тока стока.

41

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

Рисунок 8.14 - Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при различных температурах

Напряжение теплового сдвига характеристик (рисунок 9.14) может быть вычислено по формуле:

,

где U_{ЗИ ОТС} - напряжение отсечки;

U_ЗИ1 - смещение на затворе в данной рабочей точке;

- изменение температуры.

Изменение тока затвора:

,

где I_ЗО - ток затвора при комнатной температуре (менее 2^.10^-8А); температурный коэффициент =0,13К^-1.

Для нормальной работы транзистора необходимо включение во входной цепи транзистора резистора утечки, обеспечивающего цепь для протекания тока затвора.

Чтобы изменение тока затвора не меняло заметно напряжение на затворе, максимальная величина сопротивления резистора утечки не должна превышать некоторой величины, которая оговаривается в справочнике.

Крутизна определяется по формуле

Размещено на Allbest.ru

...