Диоды и транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Выполнил

Прокопьев И.Л.

КИРОВ

Содержание

Введение

1. Полупроводниковые диоды

1.1 Стабилитрон

1.2 Туннельный диод

1.3 Варикап

1.4 Фотодиод

1.5 Диод Шоттки

1.6 Классификация и система обозначений

2. Биполярный транзистор

2.1 Устройство биполярного транзистора

2.2 Физические процессы

2.3 Статические ВАХ биполярных транзисторов

2.4 Т-образные эквивалентные схемы биполярного транзистора

2.5 Частотные свойства биполярного транзистора

3. Полевые транзисторы

3.1 Классификация полевых транзисторов

3.2 Транзисторы с управляемым p-n переходом

3.3 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

3.4 МДП-транзисторы с индуцированным каналом

3.5 МДП-транзисторы со встроенным каналом

3.6 Статические характеристики полевых транзисторов

3.7 Статические характеристики полевого транзистора с изолированным затвором

Библиографический список

Введение

Общие представления о радиоэлектронике. История развития радиоэлектроники. Понятие информации, обобщенная структурная схема передачи информации. Классификация, прием, излучение и распространение радиоволн. Структурная схема радиотехнической системы передачи информации.

Термин "радиоэлектроника", появившийся в середине ХХ века, объединил две области техники: радиотехнику и электронику. Традиционно к радиотехнике относятся методы и средства передачи и приема сигналов без проводов. Под электроникой понимают совокупность технических решений, связанных с обработкой информации и автоматическим управлением.

К началу 50-х годов ХХ века уже был накоплен большой практический опыт радиосвязи в различных диапазонах длин волн, разработана элементная база радиоустройств, созданы радиопередатчики и радиоприемники различного назначения, полным ходом велась разработка телевизионных, радиолокационных и радиотелеметрических систем.

Примерно в то же время оформились основные положения теории информации. Появились первые электронные вычислительные машины, создавались проекты систем автоматического управления, устройства записи и хранения информации.

В дальнейшем эти два направления все теснее интегрировались между собой, что в конечном итоге и послужило основание рассматривать единую область науки и техники - радиоэлектронику.

В отличие от электротехники, главной задачей которой является максимизация эффективности использования энергии, в радиоэлектронике на первый план выходит проблема получения, передачи и обработки информации с минимальными потерями.

1. Полупроводниковые диоды

диод транзистор биполярный

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных - силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды.

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

1.1 Стабилитрон

Стабилитроны - это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизацииUст - напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном. Минимальное Iст. Мин и максимальное Iст. Макс значения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. Пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р-n-перехода. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.

1.2 Туннельный диод

Туннельный диод - это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах - более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

1.3 Варикап

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

В варикапах используется барьерная емкость, отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p-n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках. Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения Uном, максимальная Смакс и минимальная Смин емкости, добротность Q, Uобр.макс.

1.4 Фотодиод

Фотодио-полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда - электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n- и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р-n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р-n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны - в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей.

Параметрами фотодиода является: Iф -- фототок, Io - тепловой ток, Еф - фотоЭДС.

1.5 Диод Шоттки

Диод Шоттки -- полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 В, на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятковвольт. широко используются в качестве детекторных и смесительных СВЧ диодов

Основные достоинства диодов Шотки -- высокое быстродействие и совместимость технологии с технологией биполярных интегральных схем, поэтому их применяют в быстродействующих ИС.

1.6 Классификация и система обозначений

Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) происходит по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу и ображается системой условных обозначений их типов.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) - подкласс приборов, третий (цифра) - основные функциональные возможности прибора, четвертый - число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

2. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор - трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

2.1 Устройство биполярного транзистора

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе n-p-n-типа являются электроны, а в p-n-p-транзисторе - дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n-p-n-типа.

Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.

2.2 Физические процессы

Если в входной цепи транзистора создать под действием источника какой-то ток, то дырки, являющиеся основными носителями в р-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными носителями.

Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы.

2.3 Статические ВАХ биполярных транзисторов

Статическими характеристиками называются зависимости между входными и выходными токами и напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки.

Наиболее часто на практике используют входные и выходные характеристики, которые обычно приводятся в справочной литературе и представляют собой усредненные зависимости большого числа однотипных транзисторов. Две последние характеристики применяют реже и, к тому же, они могут быть построены из входных и выходных характеристик.

2.4 Т-образные эквивалентные схемы биполярного транзистора

Cхема Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа.

Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:

Величины коэффициентов б, rэ, rк, мэк для биполярного транзистора лежат в пределах:

б = 0,95ч0,995, rэ = 1ч10 Ом, rк = 10ч106 Ом, мэк = 10-3ч10-5.

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме Ск* и rк*, равных: Ск* = Ск(в + 1), rк* = rк(в + 1).

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 1 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

Таблица 1. Связи между h параметрами

2.5 Схемы включения биполярных транзисторов

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи.

Услительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (Rк = 0).

Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является перемнное напряжение uб-э, а выходным - перемнное напряжение на резисторе, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает едениц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E2). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление Rвх, которое определяется по закону Ома:

Достоинства

с Большой коэффициент усиления по току.

с Большой коэффициент усиления по напряжению.

с Наибольшее усиление мощности.

с Можно обойтись одним источником питания.

с Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

с Недостатки

с Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:



т.к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока определяется:

при uк-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное сопротивление схемы ОБ в десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.

Достоинства:

с Хорошие температурные и частотные свойства.

с Высокое допустимое напряжение

Недостатки:

с Малое усиление по току, так как б < 1

с Малое входное сопротивление

с Два разных источника напряжения для питания.

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т.е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен ki, т.е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т.е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Iвых=IкIвх=IбUвх=UбэUвых=Uкэ

Достоинства

с Большой коэффициент усиления по току.

с Большой коэффициент усиления по напряжению.

с Наибольшее усиление мощности.

с Можно обойтись одним источником питания.

с Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

с Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

2.5 Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н21Б и Н21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления уменьшается в раз по сравнению со статическим значением в0, называется предельной частотой усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером:

Усилительные свойства биполярного транзистора

Независимо от схемы включения транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления - по току, напряжению и мощности.

, , .

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Представим транзистор переменным резистором ro, последовательно с которым включено нагрузочное сопротивление RНи источник питания Е. Напряжение источника Е делится между сопротивлением нагрузки RНи внутренним сопротивлением транзистора ro, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближённо равно сопротивлению коллекторного перехода транзистора для постоянного тока. В действительности к этому сопротивлению ещё добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и p-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е.

3. Полевые транзисторы

Полевой транзистор (ПТ) - полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

3.1 Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл -- полупроводник (барьер Шотки), вторую -- транзисторы с управлением посредством изолированного электрода.

3.2 Транзисторы с управляемым p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с незначительностью обратных токов p-n перехода мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой.

3.3 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Полевой транзистор с изолированным затвором -- это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды -- исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод -- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильно легированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой -- канал, который соединяет исток со стоком.

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильно легированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

3.4 МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, -- ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильно легированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой-эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда -- дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

3.5 МДП-транзисторы со встроенным каналом

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности.

Статические характеристики передачи выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения UЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

-- Уравнение Ховстайна.

3.6 Статические характеристики полевых транзисторов

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам:

· входная характеристика IЗ = f(UЗИ) при UСИ =сonst;

· характеристика обратной связи I3=f(UСИ) при UЗИ = const;

· характеристика прямой передачи IС=f(UЗИ) при UСИ = const;

· выходная характеристика IС = f(UСИ) при UЗИ = const.

На практике широко используются лишь две последние характеристики, причем первую из них часто называют передаточной характеристикой.

Входная характеристика и характеристика обратной связи применяется редко, так как в абсолютном большинстве случаев входные токи ПТ пренебрежимо малы (от 10-8 до 10-12 А) по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные ко входу.

Каждая характеристика имеет три участка - омический (для UСИ < UЗИ0- UЗИ), насыщения (для UСИ > UЗИ0 - UЗИ) и пробоя. При UЗИ = 0 с увеличением напряжения UС ток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться линейному закону; ток IС начинает расти медленнее, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала в области, прилегающей к стоку, это приводит к замедлению возрастания самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0сечение канала вблизи стока приближается к нулю и рост IС прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора UЗИ1, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит при меньших значениях UСИ1=UЗИ0-UЗИ1.

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение IС, и, если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка затвор-сток. При увеличении запирающего напряжения до UЗИ2 увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении UСИ на величину напряжения UЗИ2, т.е. UСИ2=UСИ1-UЗИ2.

Если к p-n-переходу затвор-канал прикладывать прямое напряжение, то обедненный слой уменьшается и эффективная толщина проводящего канала увеличивается. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода затвор-канал, ток стока и входное сопротивление прибора в этом случае резко падают. Из-за этого в большинстве случаев применения ПТ работа с прямыми токами затвора нежелательна. Поэтому обычно транзисторы с p-n-переходом используют при запирающих входных напряжениях.

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличением температуры. Кроме того, с повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗ черед переход и, следовательно, уменьшается RВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки (ТСТ), т. е. точки, в которой ток стока практически постоянен при различных температурах. Это объясняется следующим образом. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителе удельная проводимость канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться. При правильном ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора, в зависимости от температуры будет изменяться падение напряжения на нём и потенциал на затворе, которое изменит рабочий ток стока.

3.7 Статические характеристики полевого транзистора с изолированным затвором

Теоретически характеристика прямой передачи для транзистора с индуцированным каналом опиcывается следующим выражением:

где, UЗИ ПОР - пороговое напряжение ПТ, соответствующее току стока IС = 10 мкА;

IС0 - ток насыщения стока, измеренный при входном напряжении UЗИ = 2•UЗИ ПОР.

Передаточная характеристика для транзистора со встроенным каналом описывается уравнением.

Для транзистора с индуцированным каналом в омической области при напряжении стока UCИ < |UЗИ - UЗИ ПОР теоретический ток стока определяется уравнением:

Где UЗИ ПОР - пороговое напряжение ПТ, соответствующее току стока, IС = 10 мкА;

IСН - ток насыщения стока, измеренный при входном напряжении UЗИ = 2UЗИ ПОР.

Статические характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа

В таком транзисторе при напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как неосновные носители заряда подложки р-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т.е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток. Тогда справедливы следующие выражения:

UЗИ = 0, IC1 = 0;

UЗИ < 0, IC2 = 0;

UЗИ > 0, IC3 > 0.

Следовательно, МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Система обозначений современных типов транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (или группу) транзисторов, третий (цифра) -- основные функциональные возможности транзистора, четвертый (число) -- обозначает порядковый номер разработки технологического типа транзистора, пятый (буква) -- условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного материала используются следующие символы:

Г, или 1, -- германий или его соединения;

К, или 2, -- кремний или его соединения;

А, или 3, -- соединения галлия (арсенид галлия)

И, или 4, -- соединения индия.

Для обозначения подклассов используется одна из двух букв: Т -- биполярные и П -- полевые транзисторы.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков транзисторов применяются следующие цифры:

для транзисторов малой мощности(максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):

1 - с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой (далее граничной частотой) не более 3 МГц;

2 - с граничной частотой 3...30 МГц;

3 - с граничной частотой более 30 МГц; для транзисторов средней мощности (0,3...1,5 Вт):

4 - с граничной частотой не более 3 МГц;

5 - с граничной частотой 3...30 МГц;

6 - с граничной частотой более 30 МГц; для транзисторов большой мощности (более 1,5 Вт):

7 - с граничной частотой не более 3 МГц;

8 - с граничной частотой 3...30 МГц;

9 - с граничной частотой более 30 МГц.

Для обозначения порядкового номера разработки используют двузначное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превышает число 99, то применяется трехзначное число от 101 до 999.

В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением 3, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э).

Стандарт предусматривает также введение в обозначение ряда дополнительных знаков. В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие символы: цифры от 1 до 9 -- для обозначения модернизаций транзистора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров; буква С -- для обозначения наборов в общем корпусе (транзисторные сборки); цифра, написанная через дефис, для бескорпусных транзисторов:

1 -- с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 -- с гибкими выводами на кристаллодержателе;

3 -- с жесткими выводами без кристаллодержателя;

4 -- с жесткими выводами на кристаллодержателе;

5 -- с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов;

6 -- с контактными площадками на кристаллодержателе, но без выводов.

КТ937А-2 -- кремниевый биполярный, большой мощности, высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержателе.

Биполярные транзисторы, разработанные до 1964 г. и выпускаемые по настоящее время, имеют систему обозначений, включающую в себя два или три элемента.

Первый элемент обозначения -- буква П, характеризующая класс биполярных транзисторов, или две буквы МП - для транзисторов в корпусе, герметизируемом способом холодной сварки.

Второй элемент -- двух- или трехзначное число, которое определяет порядковый номер разработки и указывает на подкласс транзистора по роду исходного полупро-водникового материала и значениям допустимой рассеиваемой мощности и граничной частоты:

от 1 до 99 -- германиевые маломощные низкочастотные транзисторы;

от 101 до 199 -- кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы;

от 201 до 299 -- германиевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 301 до 399 -- кремниевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 401 до 499 -- германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 501 до 599 -- кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 601 до 699 -- германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы;

от 701 до 799 -- кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.

Третий элемент обозначения (у некоторых типов он может отсутствовать) - буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Библиографический список

1. Каяцкас А. А. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для студентов вузов по спец. «Констр. и производство радиоаппаратуры».-- М.: Высш. шк., 1988.-- 464 с.

2. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. -- 3-е изд, перераб. и доп..-- М.: Радио и связь, 1990. -- 512 с.

Размещено на Allbest.ru

...