Работа транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Устройство биполярного транзистора (БТ). Схемы включения. Разновидности и перспективы развития БТ

транзистор биполярный индуцированный

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда - электроны и дырки. Этим он отличается отуниполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector иemitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы - дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE - 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький - от базы к эмиттеру I_BE, и большой - от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняется ток коллектора I_С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается в, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

в = I_C / I_B

Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить - «открылся». Переменная составляющая - это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора - это результат умножения тока базы на коэффициент усиления в. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором - результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Разновидности биполярных транзисторов (БТ)

По типу рабочего материала выделяют группы германиевых, кремниевых и арсенидгаллиевых БТ. Основное различие между приборами указанных групп - в допустимой рабочей температуре, что связано с различиями исходных материалов в ширине запрещенной зоны. При этом если германиевые транзисторы могут работать при Тр<70…90°С, то для кремниевых и арсенидгаллиевых транзисторов этот показатель достигает соответственно 120… 150 и 200…250°С. При эксплуатации в области нормальных пабоч1х температур кремниевые и арсенидгалиевые транзисторы имеют при прочих равных условиях большие значения Тр.

По механизму передачи тока в структуре различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы. Свойства бездрейфовых БТ подробно рассмотрены ранее.

Дрейфовое транзисторы - это такие БТ, в базовых областях которых создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей от ЭП к КП. Действие ускоряющего поля в базе приводит к уменьшению времени пролета носителей через базу tпр и к соответствующему увеличению предельных частот fa и fb. Одновременно о этим существенно улучшаются и усилительные свойства БТ, поскольку при меньшем времени пролета большая часть инжектированных носителей успевает дойти до коллектора без рекомбинации. По остальным показателям дрейфовые БТ аналогичны ранее рассмотренным бездрейфовым приборам.

Ускоряющее поле в базе дрейфовых транзисторов имеет диффузионную природу и создается в результате неравномерного распределения примесей в их базовых областях. Структуры и методы формирования дрейфовых БТ описаны далее. По электропроводности рабочих областей различают транзисторы р - п - р и /2 - р - п - чипов. Различие в свойствах этих транзисторов предопределяется тем, что рабочими носителями в п - р - п. - структурах являются электроны, которые имеют более высокую подвижность по сравнению с дырками. Поэтому транзисторы п - р - п. - типов всегда имеют лучшие усилительные и частотные свойства.

Для уменьшения теплового сопротивления подложки мощные БТ монтируют на кристаллодержателях из материалов о хорошей теплопроводностью. В большинстве случаев для этой цели используют проводящие материалы, поэтому коллектор мощного БТ, обычно имеет гальваническое соединение с корпусом. При необходимости мощные БТ должны снабжаться дополнительными радиаторами. Поэтому конструкция их корпусов должна предусматривать возможность такого варианта эксплуатации.

2. ПТ с изолированным затвором. МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Устройство, схемы включения. Статические характеристики

Полевой транзистор - это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n - перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р - типа и n - типа. Канал р - типа обладает дырочной проводимостью, а n - типа - электронной.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов - МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов - со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. В исходной пластинке кремния р - типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности - n. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n - типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n - типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда - электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n - типа показана на рис. 5.5, а

Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р - типа и на одном из р-n - переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р - области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис.

Условное обозначение МДП - транзисторов:

а ? со встроенным каналом n - типа;

б ? со встроенным каналом р - типа;

в ? с выводом от подложки;

г ? с индуцированным каналом n - типа;

д ? с индуцированным каналом р - типа;

е ? с выводом от подложки

Статические характеристики МДП - транзисторов

Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n - типа Ic = f(Uси) показаны на рис. 5.4, б.

При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи < 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны - носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0.

При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р - типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0.

Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic = f(Uзи) приведена на рис. 5.4, б.

Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic = f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б; в.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

Область применения

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.

Список литературы

1. Булычев А.Л., Лямин П.М. «Электронные приборы» Выс. шк. 1999 год.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. «Электроника и микропроцессорная техника» М.: Выс. шк. 2005 год.

Размещено на Allbest.ru