Электроника пособие

Поэтому входные характеристики в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток Iб. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, а база сужается, Iб уменьшается из-за уменьшения рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой. Выходные характеристики схемы с общим эмиттером изображены на рис. 40. Выходной ток Iк, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ - это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП:

Uкэ = Uкб + Uбэ.

Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.

Рис. 40

8. ИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МДП И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

8.1. Причины инерционности МДП и биполярных транзисторов

Термины инерционные или динамические свойства транзисторов подразумевают их неспособность мгновенно реагировать на появление входного сигнала. Если входным сигналом являются импульсы, открывающие или закрывающие транзисторный ключ, говорят об импульсных свойствах транзистора. Такие сигналы характерны для основной на сегодня цифровой электроники. Если сигнал непрерывный и описывается функциями частоты или частотным спектром, говорят о частотных свойствах. Такие сигналы характерны для аналоговой электроники.

Главной причиной инерционности любых электронных элементов является наличие в них ёмкостных или индуктивных, т.е. реактивных

50

составляющих токов и напряжений. Так, ёмкостная составляющая тока любого диода возникает в нём из-за барьерной или диффузионной ёмкости. Индуктивная составляющая тока в элементах возникает из-за того, что любой проводник или полупроводник с током обладает индуктивностью. Например, при повышении рабочей частоты в элементах уже приходится учитывать паразитные индуктивности выводов. Ёмкость и индуктивность элементов часто называют паразитными (нежелательными) параметрами.

Паразитная ёмкость обратно пропорциональна, а индуктивность прямо пропорциональна длине пути тока в проводниках и слоях элементов. Поскольку длины проводников и толщины слоёв полупроводниковых элементов минимальны, для них более характерно влияние паразитной ёмкости.

Основным паразитным реактивным параметром МДП-транзистора является ёмкость между затвором и каналом Cзк, рис. 41а.

Другими факторами инерционности, такими как время дрейфа носителей в канале и его индуктивность, почти всегда можно пренебречь.

Сложность учета влияния Cзк состоит в том, что эта ёмкость носит распределённый характер. На каждый элемент длины канала l приходится элемент сопротивления канала Rк и элемент ёмкости затвор-канал Cзк. В результате эквивалентная схема, позволяющая выполнить анализ динамических свойств, имеет вид рис. 41б.

Анализ цепей с распределёнными параметрами осложняется тем, что в нём появляется ещё одна переменная – расстояние x. Поэтому находит применение более простая эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами, рис. 42. Здесь ёмкость Cзк условно отнесена к двум

Рис. 42

51

сосредоточенным ёмкостям – между затвором и истоком Cзи и между затвором и стоком Cзс. Эти ёмкости, а также ёмкость между транзистором и окружающим его полупроводником Cп, стали основными параметрами, отражающими инерционные свойства МДП-транзистора [2; 4; 5].

Инерционные свойства БТ в значительной степени определяются ёмкостями его p-n переходов ЭП и КП. Учёт их влияния осложняется тем, что характер и величина ёмкости зависят от напряжений и токов переходов (см. разд. 5.2). Поэтому, наряду с величиной барьерной ёмкости ЭП и КП в отсутствие внешнего напряжения Cб0, к основным параметрам инерционности относят коэффициент влияния m из (29).

Ещё один фактор инерционности БТ - относительно медленное перемещение инжектированных в базу носителей от ЭП к КП. Его влияние учитывается временем пролёта области базы, или просто временем пролета

τпр [1].

8.2. Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов

Импульсные свойства характеризуют реакцию транзисторного ключа на подачу на вход управляющего напряжения в виде импульса, вызывающего отпирание или запирание транзистора.

На рис. 43 изображены схемы простейших ключей на МДП (а) и биполярном (б) транзисторах.

В обоих ключах управляющий сигнал в виде короткого импульса поступает на вход от источника э.д.с. eвх с внутренним сопротивлением Ri.

Временные диаграммы eвх изображены на рис. 44 а,б. Сток и коллектор транзисторов через сопротивление R подключены к источнику питания Eпит.

Выходным напряжением ключей являются напряжения uси и uкэ соответственно. Штриховой линией на схемах условно обозначены входная и выходная ёмкости транзисторов Cвх и Свых. Они являются сложными функциями напряжений, токов и паразитных параметров транзисторов (см. разд. 8.1). Влияние факторов инерционности более точно учитывается методами компьютерного моделирования.

52

Хотя eвх изменяется скачкообразно, входное напряжение обоих ключей изменяется не мгновенно, так как требуется некоторое время на заряд входной ёмкости, рис. 44 в,г. Поэтому отпирание обоих транзисторов начинается с некоторой задержкой tз. В течение этого времени напряжения на затворе и базе достигают порогового напряжения U0 и примерного напряжения отпирания эмиттерного перехода U*. В течение времени нарастания tн завершается заряд Cвх, разряд Свых и другие переходные процессы.

Токи достигают предельных значений Iс.нас и Iк.нас, что характерно для режима насыщения, используемого в ключах, рис. 44 д,е.

Запирание транзисторов связано с разрядом Cвх и зарядом Свых. Кроме того, возвращение БТ в закрытое состояние сопровождается запаздыванием переходных процессов на время рассасывания tрасс. В течение этого времени БТ остаётся открытым из-за заряда неосновных носителей, накопившегося в базе в режиме насыщения. Этот заряд исчезает, «рассасывается» не мгновенно и в течение некоторого времени поддерживает ток экстракции.

Результатом переходных процессов является появление времён t10 и t01, которые требуются ключам на переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 и наоборот, рис. 44 ж,з. Более детально работа ключей рассматривается в курсе «Электроника» [1; 2].

53

8.3. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов

Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналов на различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их амплитудно-частотными или

фазо-частотными характеристиками (АЧХ или ФЧХ).

В качестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис. 43. Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющую напряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора.

Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплексной крутизны S:

где S0 – крутизна при ω = 0, ωs – предельная частота крутизны.

Из (47) можно получить выражения для модуля и фазы комплексной

и ФЧХ МДП транзистора изображены на рис. 46а.

Следует заметить, что ωs даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β:

частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ.

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ωгр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше единицы за счет усиления по напряжению.

Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В то же время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот.

Более детально транзисторные усилители аналогового сигнала рассматриваются в курсе «Электроника» [1; 2].

9. IGBT ТРАНЗИСТОР

Большим достоинством МДП транзистора является способность сохранять открытое или закрытое состояние в отсутствие тока и мощности, потребляемых от источника управляющего сигнала. Напротив, БТ в открытом состоянии потребляет от источника сигнала ток базы Iб и, следовательно, некоторую мощность, иногда очень значительные.

Большим достоинством биполярного транзистора в ключевом режиме является на порядок меньшее падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это означает, что тепловые потери в ключе на БТ значительно меньше, а максимальный допустимый ток значительно больше. Мощные ключи на БТ способны в открытом состоянии пропускать ток в сотни и даже тысячи ампер. Кроме того, они способны в закрытом состоянии выдерживать напряжение до нескольких тысяч вольт.

55

Указанными достоинствами одновременно обладает IGBT транзистор. Устройство IGBT транзистора поясняет рис. 47а. Здесь же показано его условное обозначение, подчёркивающее сходство с МДП транзисторами и БТ, рис. 47б.

Рис. 47

Структуру вида рис. 47а в первом приближении можно рассматривать как сочетание n-канального МДП транзистора и БТ со структурой n+-p-n, рис. 47в. Прилегающие к коллектору n+ и p+ слои являются вспомогательными и улучшают характеристики IGBT транзистора.

Основной ток в нём протекает в биполярной структуре, а управление этим током осуществляется, как в МДП транзисторе, с помощью изолированного затвора. Отсюда название транзистора - Insulated Gate Bipolar Transistor, т.е. биполярный транзистор с изолированным затвором.

10. КОНТАКТ ПРОВОДНИК - ВАКУУМ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Проводник в вакууме также можно рассматривать как контакт двух веществ, точнее, двух сред. В таком контакте возникает явление

термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия, в дальнейшем просто эмиссия, является результатом обычной для контактов диффузии свободных электронов из металла (где их много) в окружающий вакуум (где их нет). Эмиссия тем интенсивней, чем меньше работа выхода из металла и чем выше температура.

56

В простейшем электровакуумном приборе, диоде, вакуум создаётся в стеклянном, керамическом или металлическом баллоне. На условном обозначении диода он отображается кружком или овалом, рис. 48.

Рис. 48

Эмиссия возникает в контакте металла катода с окружающим вакуумом. При косвенном накале катод нагревается с помощью расположенной внутри него нити накала до нескольких сотен градусов, а при прямом накале ток проходит через катод и разогревает его. Для улучшения эмиссионных свойств или получения необходимого тока эмиссии Iэ подбирают специальный металл (иногда полупроводник) катода с минимальной работой выхода или покрывают его специальным составом.

На небольшом расстоянии от катода располагается второй электрод – анод. Если напряжение на аноде по отношению к катоду положительное, анод создаёт между катодом и анодом положительное электрическое поле. Это поле заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Возникает анодный ток Iа. При отрицательном напряжении на аноде этого тока нет, так как эмиссия свободных электронов происходит только с катода и конвекционный ток не протекает. Отсюда односторонняя проводимость, как и в диодах на основе m-n

иp-n переходов.

Вэлектровакуумном триоде (рис. 49) имеется ещё один электрод – управляющая сетка – сетчатый электрод, расположенный между катодом и

постоянное напряжение смещения от источника Ес. Суммарное напряжение на сетке uc = uвх + Ес, как правило, небольшое и отрицательное. При этом электроны не перехватываются сеткой и сеточного тока нет. В противном случае, при положительном uc, наблюдается захват сеткой части электронов из потока, идущего от катода к аноду. В результате появляется сеточный ток, растёт потребление мощности от источника сигнала, уменьшается коэффициент усиления по мощности. Уменьшается также полезный выходной ток Iа.

57

Рис. 49

Расположение сетки, её «густота», величины сеточного и анодного напряжения таковы, что суммарное поле сетки и анода вблизи катода положительное и возникает значительный Iа. В то же время поле сетки сильно влияет на величину Iа , т.к. она расположена намного ближе к катоду и эффективно управляет потоком электронов. В результате, из-за отсутствия или малости входного (сеточного) тока мощность источника сигнала ничтожна по сравнению с мощностью, выделяемой в нагрузке Рн = Iа2 Следовательно, лампа обладает большим коффициентом усиления по мощности.

С ростом отрицательного напряжения на сетке суммарное поле у катода ослабевает. Это вызывает уменьшение тока анода Iа. При достаточно большом отрицательном напряжении на сетке uC ток анода Iа исчезает (режим отсечки). Электрические свойства триода хорошо отражает семейство анодных характеристик – зависимостей Iа от Ua при различных напряжениях на управляющей сетке Eс. На рис. 50 изображено семейство анодных характеристик пентода, у которого соединены электрически все три сетки.

По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного напряжения на анодный ток намного сильнее, чем влияние анодного напряжения. Так, изменение напряжения на управляющей сетке с -3 В до -6 В при неизменном Ua = 100 В уменьшит Iа на 14 мА. В то же время для изменения Iа на 4 мА потребуется приращение Ua = 200 В.

58

Рис. 50

Лампа с двумя сетками, т.е. с четырьмя электродами, называется тетрод, с тремя сетками – пентод. В таких лампах имеются дополнительные сетки, улучшающие электрические свойства.

Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используются следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра. Это крутизна анодно-сеточной характеристики S = dIа / dUc ,

внутреннее сопротивление Ri = dUа /dIа, коэффициент усиления по напря-

жению = dUа / dUc . Все три параметра определяются при неизменности остальных токов и напряжений [1]. Из приведённых формул следует:

11.КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

11.1.Компьютерная модель диода

Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами.

Сегодня количество элементов в интегральных схемах может достигать 109 и более. Примерно столько же уравнений в описывающей схему системе уравнений. Решение таких систем иногда невозможно даже с использованием суперкомпьютеров. Поэтому разработка компьютерных моделей элементов – это всегда компромисс между их точностью и сложностью [4].

Рассмотрим возможности моделирования полупроводникового диода на примере диода на основе p-n перехода.

59