.

Указанный выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду:

(4.1)

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

-	входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
-	коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;
-	коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;
-	выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

H-параметры измеряются в различных единицах: h₁₁ измеряется в Омах, h₂₂ - в Сименсах, h₂₁ и h₁₂ - безразмерны. Так как физические единицы параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной. В схеме замещения транзистора на основе h-параметров (рис. 4.8) генератор ЭДС h₁₂u₂ учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u₂, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h₂₁i₁ учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Связь между h-параметрами для различных схем включения транзисторов

h11э		h11б
h12э		h12б
h21э		h21б
h22э		h22б

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применительно к схеме включения с ОЭ вместо обозначения h_21э широко используется обозначение , а в схеме с ОБ - вместо обозначения h_21б обозначение . Так как в в схеме с ОБ направление тока i_к противоположно базовому направлению тока i₂ исходного четырехполюсника, то h_21б < 0.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. При практических расчетах значения этих параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ. Так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, система уравнений (4.1) может быть представлена в виде:

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂;

I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4.9 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 4.10 - по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки транзистора) - значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.

Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.

4.1.5 Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно описать формулой:

I_э ? I_оэ (exp(U_эб) / ц_т - 1).

С ростом температуры тепловой ток (I_эо) растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения _т = k T / q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_э на величину U (1...2) мВ/°С (рис. 4.11, а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода (I_кбо), который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рис. 4.11, б).

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам:

I_к = бI_э + I_кбо;

I_к = вI_б + (в + 1) I_кбо.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выходные характеристики при различных температурах должны сниматься при постоянных параметрах (I_э = const в схеме с ОБ и I_б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_э = const рост I_к будет определяться только увеличением I_кбо (рис.4.12, а). Однако обычно I_кбо значительно меньше I_э, изменение I_к составляет доли процента и его можно не учитывать.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи () не зависит от температуры. Постоянство I_б означает, что температурная зависимость I_к будет определяться слагаемым ( + 1)I_кбо. Ток I_кбо (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10 °С, и при >> 1 прирост тока ( + 1)I_кбо может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

На рис.4.12, б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока.

4.16 Составной транзистор

Коэффициент усиления каскадов, выполненных на биполярных транзисторах, определяется коэффициентом передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (h_21э)_. Увеличение этого коэффициента в ряде случаев позволяет существенно упростить схемотехнику проектируемых усилительных устройств. Так, при построении многокаскадных усилителей можно обойтись меньшим числом каскадов или при управлении мощной нагрузкой отказаться от промежуточных усилителей мощности и управлять значительной мощностью непосредственно от маломощного источника.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Увеличить h_21э можно чисто схемотехническим путем за счет каскадного включения нескольких транзисторов. Применительно к транзисторам одного типа проводимости такие схемы были впервые предложены Дарлингтоном и поэтому часто называются схемами Дарлингтона или составными транзисторами.

Составной транзистор (пара Дарлингтона), получаемый соединением коллекторов и эмиттера Э₁ с базой Б₂ (рис. 4.13), характеризуется большим входным сопротивлением, большим коэффициентом передачи базового тока и меньшим выходным сопротивлением на переменном сигнале по сравнению с одиночным БТ.

Интегральный коэффициент передачи по току составного транзистора (_D) определяется следующим образом:

_D = i_кD/i_бD = i_кD/i_б1 = (i_к1 + i_к2)/i_б1 = (₁i_б1 + ₂i_б2)/i_б1 = (₁i_б1 + ₂i_э1)/i_б1 =

= (₁i_б1 + ₂ (₁ + 1)i_б1)/i_б1 = ₁ + ₂ (₁ + 1) = ₁ + ₂₁ + ₂.

Если составной транзистор (СТ) синтезирован на основе одинаковых транзисторов (₁ = ₂ = ), то

_D = ( + 2),

т.е. _D характеризуется квадратичным увеличением.

Суммарное входное сопротивление (h_11эD) составного транзистора больше входного сопротивления одиночного транзистора, так как входы Т₁ и Т₂ включены последовательно, т.е.

h_11эD = u_вхD/i_бD = (u_вх1 + u_вх2)/i_б1 = (i_б1h_11э1 + i_б2h_11э2)/i_б1 = (i_б1h_11э1 + i_э1h_11э2)/i_б1 = (i_б1h_11э1 + (₁ + 1)i_б1h_11э2)/i_б1 = h_11э1 + (₁ + 1)h_11э2.

Из итогового выражения видно, суммарное входное сопротивление определяется в основном входным сопротивлением второго транзистора и коэффициентом передачи по току первого транзистора.

Так как коллекторные цепи транзисторов включены параллельно (см. рис.4.13), следовательно, суммарная проводимость составного транзистора (h_22эD) возрастает (выходное сопротивление уменьшается).

На практике составные транзисторы могут быть реализованы на основе соответствующего соединения одиночных транзисторов, но промышленностью также выпускаются уже готовые составные транзисторы, конструктивно оформленные в едином корпусе.

4.2 Полевые транзисторы

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление величиной тока в них осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего слоя (канала) полупроводника поперечным электрическим полем. Каналом служит тонкий слой однородного полупроводника. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы:

1) полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом;

2) полевые транзисторы с изолированным затвором.

Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 10⁹ - 10¹⁴ Ом. Таким образом, эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Так же, как и биполярные, полевые транзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.

Полевые транзисторы могут иметь каналы как p-типа, так и n-типа, управление которыми осуществляется при разной полярности на электродах (поскольку m_n > m_p, выгоднее применять n-канал). Это свойство комплементарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП-транзисторов.

4.2.1 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Структура и принцип действия ПТ

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n-переходом, смещенным в обратном направлении (рис. 4.14).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который из канала уходят носители заряда, - стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, - затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При отсутствии напряжения на входе (U_зи = 0) ток I_с, создаваемый этими электронами, определяется напряжением стока (U_си) и сопротивлением канала, зависящим от его поперечного сечения.

При подаче на переход обратного напряжения U_зи < 0, его ширина равномерно увеличивается, сечение канала уменьшается по всей его длине и сопротивление канала возрастает. Самое низкое сопротивление канала и соответственно самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (U_зи = 0), затем по мере увеличения ширины перехода при возрастании U_зи и соответственно уменьшении сечения канала ток будет падать, и при некотором напряжении на затворе произойдет смыкание переходов, канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать. Это напряжение называется напряжением затвор-исток отсечки (U_{зи отс}). Канал в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Характеристики ПТУП

Выходные характеристики транзистора. На рис. 4.16 изображено семейство статических выходных характеристик I_с = f (U_си) при различных значениях напряжения на затворе U_зи.

Каждая характеристика имеет два участка - омический (для малых U_си) и насыщения (для больших U_си). При U_зи = 0 с увеличением напряжения U_с ток I_с вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома. Ток I_с начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и возрастанию потенциала вдоль канала от истока к стоку. Потенциал же затвора одинаков по всей длине.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Появляется разность потенциалов между каналом и затвором, которая увеличивается в сторону стока. Вследствие этого толщина запирающего слоя увеличивается клинообразно (рис. 4.17) и сопротивление канала также увеличивается, а возрастание тока I_С замедляется. При напряжении насыщения U_{си нас} = U_{зи отс} сечение канала у стока приближается к нулю, и рост тока стока I_с прекращается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реальные характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон. Незначительное увеличение тока стока в режиме насыщения при повышении напряжения U_си объясняются некоторым уменьшением эффективной длины канала при расширении перекрытого участка.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора (U^_зи), когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_си, будет более пологой на начальном участке, и насыщение наступит раньше, при меньших значениях

U^_{си нас} = U_{зи отс} - U^_зи.

Передаточные (стоко-затворные) характеристики (рис. 4.18) представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке

I_с = f(U_зи) Р_{Uси = const}.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора. Ток стока имеет максимальную величину при отсутствии напряжения на затворе (U_зи = 0), когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения на затвор переход расширяется, толщина канала уменьшается, сопротивление возрастает, и ток стока уменьшается. Когда напряжение на затворе достигает величины U_{зи отс} , канал полностью перекрывается и ток стока падает до минимального значения.

Входная характеристика ПТУП - это зависимость I_з = f (U_зи). Представляет собой обратную ветвь ВАХ p-n-перехода (рис. 4.19).

Параметры ПТУП

Основным параметром, используемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т.е. отношение изменения тока стока к изменению напряжения между затвором и истоком:

.

Крутизна обычно измеряется в миллиамперах на вольты и для типовых транзисторов она равна от десятых долей до единиц миллиампер на вольт. Крутизна характеризует управляющее действие затвора.

Дифференциальное выходное сопротивление определяется следующим образом:

.

Оно составляет, примерно от десятков до сотен килоом.

Статический коэффициент усиления по напряжению равен:

.

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Входное дифференциальное сопротивление равно:

.

Входное сопротивление имеет значение от сотен килоом до десятков мегаом.

Поскольку характеристики полевого транзистора нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема ПТУП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основным элементом эквивалентной схемы полевого транзистора (рис. 4.20), характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SU_зи. Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются емкостями электродов: затвор - сток (C_зи), затвор - сток (C_зс), сток - исток (C_си). Емкости C_зи и C_зс зависят от площади затвора и степени легирования канала, емкость C_зс - самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки R_зс, R_зи, R_зс весьма велики, и учитываются, как правило, при расчете электрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Схемы включения полевого транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы (рис. 4.21):

1) с общим истоком и входом на затвор;

2) с общим стоком и входом на затвор;

3) с общим затвором и входом на исток.

Температурная зависимость параметров ПТУП

При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов p-n-перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, ширина перехода также уменьшается, канал расширяется, сопротивление его падает, а ток стока увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. Первое сказывается при малых токах стока, второе - при больших.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При определенных условиях действие этих факторов взаимно компенсируется, и ток полевого транзистора не зависит от температуры. На рис. 4.22 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки (ТСТ).

Для кремниевых транзисторов крутизна (S) с увеличением температуры уменьшается. С повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток затвора (I_з) через переход и, следовательно, уменьшается R_вх. 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. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы.

4.2.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

Размещено на http://www.allbest.ru/

В рассмотренном полевом транзисторе затвор отделен от канала обратно смещенным р-n-переходом. Однако затвор от канала можно отделить тонким изолирующим слоем, образовав его над каналом перед изготовлением электрода затвора. При очень тонком изолирующем слое проникновение поля в канал не ухудшается. Если для изолятора выбран материал с высоким сопротивлением, ток затвора может быть, чрезвычайно низким, не зависящем от полярности приложенного к затвору напряжения (в этом отличие от ПТ с р-n-переходом). Такие структуры называют полевыми транзисторами с изолированным затвором.

Структуры ПТ с изолированным затвором

Структура транзистора показана на рис. 4.23. В подложке из полупроводника p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением созданы две сильнолегированные области n⁺-типа, одна из которых является истоком, другая - стоком. Обе области расположены на близком расстоянии друг от друга (5 - 50 мкм). Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,1 мкм) слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Подложку обычно соединяют с истоком. Получается структура, состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, то есть МДП-структура.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходным полупроводником для ПТ с изолированным затвором в основном является кремний. Поэтому в качестве диэлектрика под затвором используется обычно слой двуокиси кремния SiO₂. Такой полевой транзистор называют ПТ типа металл- окисел-полупроводник или МОП-транзистором.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Условные обозначения МДП-транзисторов показаны на рис. 4.24.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

В данном приборе в исходном состоянии между стоком и истоком отсутствует токопроводящий канал. Высоколегированные n^+-области стока и истока с полупроводником подложки образуют p-n-переходы, поэтому при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этих p-n-переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока.

При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле через диэлектрик проникает в приповерхностный слой подложки и выталкивает из нее основные носители заряда (дырки), то есть у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой, состоящий из ионизированных нескомпенсированных атомов примеси.

Дальнейшее увеличение напряжения на затворе вызовет приток к поверхности подложки неосновных носителей заряда (электронов). При определенном значении напряжения U_зи, которое называется пороговым напряжением (U_{зи пор}), в тонком приповерхносном слое на границе с диэлектриком существенно увеличится концентрация электронов, т.е. в этом слое происходит изменение типа электропроводности с дырочной на электронную. Под затвором возникает инверсный слой, который и является проводящим каналом между стоком и истоком. Такой канал называют индуцированным (наведенным).

При изменении напряжения на затворе изменяется концентрация подвижных носителей в канале, а также толщина проводящего канала, изменяется его проводимость, а следовательно, и ток стока (I_c), протекающий в канале от истока к стоку, если между ними приложено напряжение U_си. Так происходит управление током стока в МДП-транзисторе с индуцированным каналом.

Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Выходные статические характеристики - это зависимость:

.

Характер этой зависимости для МДП - транзистора аналогичен характеру таких же зависимостей для ПТ с управляющим переходом (рис. 4.25).

При заданном напряжении на затворе транзистора по мере увеличении напряжения U_си ток стока вначале увеличивается почти линейно (омическая область), затем скорость его возрастания уменьшается, при некоторых значениях (U_си.нас) ток стремится к постоянной величине (область насыщения), а далее резко возрастает (область пробоя).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В работающем транзисторе по каналу течет ток I_c, поэтому напряжение между затвором и каналом (из-за падения напряжения на сопротивлении канала) в различных поперечных сечениях оказывается неодинаковым, а изменяется от U_зи вблизи истока до напряжения (U_зи - U_си) вблизи стока. Из-за этого различной оказывается и толщина индуцированного канала: она больше вблизи истока и меньше близи стока.

При U_си.нас = U_зи - U_зи.пор напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому напряжению, что приводит к перекрытию индуцированного канала вблизи стока (толщина канала в месте перекрытия очень мала), происходит ограничение тока стока так же, как в транзисторах с управляющим p-n-переходом.

Дальнейшее увеличение U_си приводит только к удлинению перекрытия, поэтому ток не растет. При увеличении напряжения на затворе ток стока увеличивается, и характеристики смещаются вверх. Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного типа работают в режиме обогащения. Согласно этому принципу транзисторы с управляющим p-n-переходом работают в режиме обеднения.

Статическая характеристика передачи (или сток - затвор)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статическая характеристика передачи отражает зависимость:

.

Эта характеристика обычно приводится для режима насыщения. Характер статической характеристики передачи ясен из принципа действия транзистора с индуцированным каналом (рис. 4.26).

МДП-транзисторы со встроенным каналом

В МДП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления технологическим путем между областями стока и истока создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока. Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. При положительном напряжении на затворе канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами), и его проводимость будет увеличиваться, ток стока также.

При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит приток дырок из глубины полупроводника к каналу, и выталкивание из него электронов. Сопротивление канала увеличивается, а ток стока уменьшается. При некотором положительном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (U_зи.отс), происходит инверсия типа электропроводности канала, и n-области стока и истока окажутся разделенными областью полупроводника p-типа. Ток стока уменьшится до значения, равного значению обратного тока p-n-перехода.

Следовательно, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом

Выходные (стоковые) характеристики и характеристики передачи МДП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рис. 4.27).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статические дифференциальные параметры S, R_i определяются с помощью построений на статических характеристиках, а коэффициент µ находят по внутреннему уравнению:

.

Как и в транзисторах с управляющим p-n-переходом параметры имеют тот же физический смысл и примерно те же значения, но входное сопротивление (R_зи) на несколько порядков больше входного сопротивления транзисторов с управляющим переходом и может составлять 10¹² ...10¹⁴ Ом.

Максимально допустимые параметры полевых транзисторов

Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся:

· максимально допустимые напряжения:

затвор - исток (U_{зи max});

затвор - сток (U_{зс max});

сток - исток (U_{си max});

сток - подложка (U_{сп max});

исток - подложка (U_{ип max});

затвор - подложка (U _{зп max});

· максимально допустимый постоянный ток стока (I_{с max});

· максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность (Р_max).

5. ТИРИСТОРЫ

5.1 Классификация тиристоров

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, предназначенный для преобразования электрического тока, в вольт-амперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры являются ключевыми приборами, т.е. могут длительное время находиться в одном из устойчивых состояний равновесия: прибор включен или прибор выключен.

В зависимости от числа внешних электродов различают тиристоры:

· диодные (динисторы), имеющие два электрода;

· триодные (тринисторы), имеющие три электрода;

· тетродные, имеющие четыре электрода.

В зависимости от способности пропускать ток в одном или двух направлениях тиристоры разделяются на однопроводящие и двухпроводящие (симметричные тиристоры или симисторы).

По мощности тиристоры делятся на маломощные (I_ср < 0,3 А), средней мощности (I_ср < 10 А) и силовые (I_ср > 10 А).

Тиристоры малой и средней мощности имеют маркировку, состоящую из шести элементов:

· первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал, из которого изготовлен тиристор (например, К или 2 - кремний);

· второй элемент (буква) обозначает тип тиристора: Н - диодные, У - триодные;

· третий элемент (цифра) характеризует тип и мощность тиристора:

ь диодные: 1 - малой мощности, 2 - средней мощности;

ь триодные: 1 - незапираемые малой мощности, 2 - средней мощности, 3 - запираемые малой мощности, 4 - средней мощности, 5 - симметричные незапираемые малой мощности, 6 - средней мощности;

· четвертый и пятый элементы (цифры) обозначают порядковый номер разработки от 01 до 99;

· шестой элемент (буква) обозначает разновидность данной группы тиристоров, отличающихся одним или несколькими параметрами, не являющимися классификационными.

Силовые тиристоры имеют маркировку, состоящую из четырех элементов:

· первый элемент состоит из 1 - 4 букв, указывающих:

ь первая - на принадлежность тиристоров к классу силовых (Т);

ь вторая - на принадлежность тиристора к группе лавинных (Л), симметричных (С), высокочастотных (Ч), импульсных (И), с повышенным быстродействием (Б), с улучшенными динамическими свойствами (Д);

ь третья - Л (лавинный) - присваивается специализированным тиристорам, относящимся также к группе лавинных (например, ТЧЛ - тиристор высокочастотный лавинный);

ь четвертая (В) - что тиристор имеет водяное охлаждение.

При наличии нескольких конструктивных исполнений тиристора одного типа буквенная часть первого элемента дополняется цифрой;

· второй элемент (числовой) соответствует предельному значению прямого тока в амперах, проходящего через тиристор, при указанных в паспорте условиях эксплуатации;

· третий элемент (числовой) определяет класс прибора. Число, характеризующее класс тиристора, равно предельному значению амплитуды повторяющегося напряжения в вольтах, деленному на 100;

· четвертый элемент состоит из трех цифр, характеризующих: первая - допустимую скорость нарастания прямого напряжения (du/dt); вторая - время выключения (t_выкл); третья - допустимую скорость нарастания прямого тока (di/dt).

5.2 Диодные тиристоры (динисторы)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диодный тиристор (рис. 5.1) - это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления. Основой наиболее простого из семейств тиристоров является четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n-типа (рис. 5.2). Крайние области структуры называются эмиттерами, а центральные - базами. Электрод, присоединенный к р-эмиттеру, называют анодом (А), а электрод, присоединенный к n-эмиттеру - катодом (К). Базы тиристора отличаются толщиной и концентрацией примесных атомов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При подаче на тиристор прямого напряжения т.е. положительного потенциала на анод, крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, средний переход смещен в обратном направлении. Большая часть прямого внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещён в обратном направлении, поэтому первый участок ВАХ тиристора (рис. 5.3) похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, увеличивается прямое напряжение, и на эмиттерных переходах электроны, инжектированные из n-эмиттера в р-базу диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу.

Дальнейшему продвижению электронов препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной n-яме, образуют избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу.

Инжектированные из р-эмиттера дырки подхватываются полем коллекторного перехода и переходят в р-базу. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, т.е. в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току, т.е. увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление зарядов в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить этот переход в прямом направлении, т.е. суммарное напряжение на коллекторном переходе будет уменьшаться. При U_a = U_вкл внутренняя положительная обратная связь вызывает лавинообразный процесс инжекции носителей заряда из эмиттеров, и коллекторный переход (КП) оказывается смещенным в прямом направлении. Сопротивление динистора уменьшается, а ток скачком увеличивается. При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается.

Таким образом, при подаче прямого напряжения на тиристор он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом.

Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. Участок 1 (см. рис. 5.3) от значения U = 0 до напряжения включения U = U_вкл соответствует малым токам, т.е. закрытому состоянию тиристора. В пределах этого участка дифференциальное сопротивление тиристора r_диф = dU / dI положительно. В пределах участка 2 - 3 значение дифференциального сопротивления r_диф отрицательно. Увеличение тока вызывает уменьшение напряжения, что приводит к дальнейшему увеличению тока и т.д. Режим, соответствующий этому участку вольт-амперной характеристики, неустойчив.

Тиристор спонтанно переходит на участок 3 - 4 вольт-амперной характеристики, соответствующий открытому состоянию, при котором дифференциальное сопротивление вновь становится положительным. Этот участок имеет вид, аналогичный прямой ветви характеристики обычного диода.

Открытое состояние соответствует участку 3 - 4 (см. рис. 5.3). В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счёт проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах. Если ток уменьшить до некоторого значения, меньше удерживающего тока (I_уд), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество носителей в базах, коллекторный переход сместиться в обратном направлении, тиристор закроется. Таким образом, I_уд - это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов (рис. 5.4). Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи:

,

где б_1, б₂ - статические коэффициенты передачи тока транзисторов; - это токи через 1-й, 2-й, 3-й р-n-переходы соответственно; - обратный ток коллекторного перехода, общий для обоих транзисторов.

Для двухэлектродной структуры (динистора) из-за необходимости выполнения баланса токов токи через все переходы должны быть равны между собой:

,

где I_а - ток через тиристор (анодный ток).

Тогда анодный ток через тиристор можно будет найти по выражению:

,

где б_? = б₁ + б₂.

Последнее выражение представляет собой уравнение ВАХ динистора в закрытом состоянии. Статические коэффициенты передачи тока транзисторов увеличиваются с увеличением эмиттерного тока (рис. 5.5).

При достижении суммарным статическим коэффициентом значения, равного единице ( б_? = 1), анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит включение динистора. Поэтому в процессе переключения ток через динистор должен быть ограничен сопротивлением нагрузки. При обратном напряжении на тиристоре, т.е. при отрицательном потенциале на аноде, эмиттерные переходы смещены в обратном направлении, коллекторные в прямом, в этом случая условий для переключения тиристора нет.

5.3 Триодные тиристоры

Для переключения триодного тиристора (рис. 5.6) также необходимо накопление зарядов в базах. В тринисторе, к одной из баз, имеющей более высокую концентрацию примеси и меньшую толщину (обычно р-база), присоединяют управляющий электрод УЭ. Через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить инжекцию носителей путём подачи положительного, относительно катода, напряжения на управляемый электрод. Поэтому тринистор можно переключить в необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «поджигающего» электрода. Тогда баланс токов:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из этого выражения следует, что напряжение включения тиристора зависит от тока управления. С увеличением тока управления, напряжение включения уменьшается.

Управляющее действие электрода УЭ проявляется лишь в момент включения тринистора: закрыть прибор или изменить значение анодного тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно. Исключение составляет специальный тип приборов - запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем электроде.

Чтобы выключить тиристор необходимо создать условия, при которых исчезает заряд, накопленный в базах транзистора. Выключить открытый тринистор (рис. 5.7) можно, как и динистор, только сделав значение прямого тока меньше значения удерживающего тока (I_уд).

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощности в нагрузке маломощным управляющим сигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5·10²..2·10³).

Важной особенностью почти всех типов полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой является их способность работать в импульсных режимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытом состоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способны пропускать импульсные токи до 100 А при допустимом постоянном токе 5 А и т.д.

5.4 Симметричные тиристоры (симисторы)

Широкое распространение в цепях переменного тока находят тиристоры с симметричными характеристиками - симисторы. Симметричные тиристоры (рис. 5.8, а) можно представить в виде двух р-n-р-n-секций, включенных встречно-параллельно (рис. 5.8, б). Эти секции включаются поочередно в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип работы каждой секции аналогичен принципу работы обычной четырехслойной р-n-р-n-структуры. Выключается секция при изменении полярности напряжения. Из ВАХ симметричного тиристора (рис. 5.8, в.) видно, что симметричные тиристоры могут пропускать электрический ток в двух направлениях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Симисторы могут иметь управляющий электрод, который позволяет изменять порог включения. В зависимости от конструкции полупроводникового элемента симметричные тиристоры (рис. 5.9) можно включать с помощью положительных, отрицательных или биполярных импульсов управления. По существу, симистор представляет пятислойную структуру, в которой эмиттерные переходы зашунтированы металлическим слоем. В зависимости от полярности включается тот переход, который работает в прямом направлении.

Используются симметричные тиристоры для регулирования мощности переменного тока, в преобразователях для реверсивных приводов и т.д.

5.5 Зависимость работы тиристора от температуры

Тиристоры применяются для переключения больших токов от сотен миллиампер до сотен ампер. При прохождении таких токов в тиристоре происходит рассеивание большой мощности, сопровождаемое значительным нагревом, несмотря на специально принятые меры для улучшения теплоотвода. Поэтому важно рассмотреть вопрос о температурной зависимости параметров тиристора.

С повышением температуры:

1) сильно возрастает значение тока в закрытом состоянии;

2) возрастают коэффициенты передачи тока транзисторов;

3) возрастает время выключения, так как увеличивается время жизни неосновных носителей;

4) уменьшается значение включающего тока управляющего электрода;

5) уменьшается ток выключения.

Возрастание коэффициента передачи тока транзистора приводит к тому, что тиристор может самопроизвольно переключаться. Для предотвращения самопроизвольного переключения применяют различные методы. Одним из распространенных схемных решений является подача на управляющий электрод специального запирающего смещения. Недостаток этого способа - снижение чувствительности тиристора и необходимость соответствующего увеличения управляющего сигнала. В качестве конструктивного решения применяют метод соединения одного из эмиттерных переходов с соседней базой. Это создает условия искусственного снижения коэффициента передачи тока и, тем самым, переключения при больших напряжениях.

Основной областью применения тиристоров является преобразовательная техника. Номинальные значения токов (I_а) у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5 000 А, а номинальные значения напряжений (U_а) в закрытом состоянии - до 5 кВ.

6. УСИЛИТЕЛИ

6.1 Классификация, основные характеристики и параметры усилителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наиболее важное назначение электронных приборов - усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями (рис. 6.1). Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.д.

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Увеличение мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки, по сравнению с мощностью источника входного сигнала, достигается за счет энергии источника постоянного напряжения, называемого источником питания (при этом соблюдается закон сохранения энергии). Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. Под воздействием входного сигнала на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, которые и передаются в нагрузку.

Усилители, используемые в современных устройствах, отличаются параметрами, назначением, характером усиливаемых сигналов и т.д.

По характеру усиливаемого сигнала усилители можно разделить на две группы: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов:

Усилители гармонических сигналов (гармонические усилители) предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов. При изменении любого параметра сигнала в усилителе возникает переходный процесс: колебание на выходе усилителя достигает установившегося значения через определенное время. Параметры усиливаемого сигнала в гармонических усилителях изменяются значительно медленнее переходных процессов;

Усилители импульсных сигналов (импульсные усилители) предназначены для сигналов, уровень которых меняется настолько быстро, что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот можно выделить следующие группы усилителей:

· усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала, т.е. низшая пропускаемая частота f_н = 0;

· усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую сигнала.

В свою очередь, усилители переменного тока в зависимости от значений частот f_н и f_в делятся на следующие группы:

ь усилители звуковых частот (УЗЧ) или усилители низких частот (УНЧ), частотный спектр которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц;

ь усилители высокой частоты (УВЧ), имеющих полосу пропускания от десятков килогерц до сотен мегагерц;

ь избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно f_в / f_н ? 1). Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах. Часто их называют резонансными или полосовыми;

ь усилители видеочастот, работающие в полосе частот от 50 Гц до 6 МГц. Усилители с f_в > 100 кГц называют широкополосными.

По типу усилительного элемента различают: транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые и магнитные усилители.

По конструктивному выполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники.

Приведенные классификационные признаки являются далеко не полными. Можно подразделять усилители по электрическому параметру усиливаемого сигнала. По этому признаку усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности (такое разделение условно, так как в любом случае усиливается мощность). По числу усилительных каскадов усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные и т.д.

Работу усилителей принято оценивать рядом технических показателей и характеристик, которые зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения. Важнейшими техническими показателями являются:

· коэффициенты усиления;

· входные и выходные сопротивления;

· выходная мощность;

· КПД;

· номинальное входное напряжение (чувствительность);

· диапазон усиливаемых частот;

· динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех;

· а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Коэффициент усиления представляет собой отношение параметров выходного сигнала к входному. Коэффициент усиления в зависимости от характера входных и выходных величин подразделяют на:

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по мощности

.

В общем случае К_U и K_I - комплексные величины, зависящие от частоты сигнала.

В области средних частот входные и выходные напряжения и токи не зависят от частоты. И коэффициенты усиления на этих частотах являются действительными величинами. Коэффициент усиления по мощности К_Р - всегда действительное число.

.

Коэффициенты усиления выражают не только в относительных единицах, но и в логарифмических - децибелах (дБ):

;

;

.

Коэффициент усиления усилителя не является величиной строго постоянной, а зависит от ряда факторов: частоты и амплитуды сигнала, напряжения источника питания и т.д.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

...