- •Министерство образования и науки украины
- •Тема 1. Введение. Полупроводники. P-n-переход Введение
- •История развития электроники
- •Электропроводность полупроводников (собственная и примесная проводимость)
- •P-n-переход в состоянии термодинамического равновесия
- •P-n-переход под воздействием внешнего напряжения
- •Тема 2. Полупроводниковые диоды
- •Выпрямительные диоды
- •Полупроводниковые стабилитроны
- •Варикапы
- •Тема 3. Транзисторы. Устройство и принцип
- •Устройство биполярного транзистора
- •Принцип действия и схемы включения биполярного транзистора
- •Тема 4. Характеристики и параметры
- •Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов
- •H-параметры транзистора
- •Тема 5. Полевые транзисторы
- •Тема 6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt-транзисторы)
- •Тема 7. Тиристоры
- •Тема 8. Интегральные микросхемы (имс)
- •Элементы и компоненты имс
- •Тема 9. Общие сведения об усилителях и их классификация. Основные параметры и характеристики усилителей
- •Основные технические характеристики усилителей
- •Вопросы согласования усилителей
- •Тема 10. Каскады предварительного усиления Практические схемы ук с оэ, об и ок. Составной эмиттерный повторитель
- •Тема 11. Усилители постоянного тока
- •Дифференциальные усилители
- •Тема 12. Классы усиления
- •Тема 13. Обратные связи в усилителях Принципы обратной связи
- •Виды обратной связи
- •Тема 14. Операционные усилители Общие сведения
- •Основные схемы включения оу
- •Характеристики оу
- •Тема 15. Общие сведения об импульсных устройствах
- •Тема 16. Транзисторный ключ как формирователь импульса
- •Содержание
H-параметры транзистора
Недостатком Т-образной схемы является невозможность непосредственного измерения ее параметров, так как в реальном транзисторе внутренняя общая точка, соединяющая ветви Т-образной схемы, недоступна для присоединения измерительных приборов. Этот недостаток устраняется, если представить транзистор в виде линейного четырехполюсника с парой входных и парой выходных зажимов (рис. 21). Биполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник только при усилении переменных сигналов малой амплитуды. Если к транзистору подведено питание постоянного тока и этим задана рабочая точка П на его ВАХ, то при наложении на протекающие токи малых переменных сигналов транзистор в отношении этих сигналов можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи. Эквивалентная схема, приведенная на рис. 21, позволяет нелинейные ВАХ заменить аналитическими линейными выражениями, что дает возможность привлечь компьютерную технику к расчетам электронных схем. Такой четырехполюсник удобно описывать системой h-параметров:
;
.
Чтобы определить h-параметры и выяснить их физический смысл, необходимо осуществить режим холостого хода на входе четырехполюсника и режим короткого замыкания на выходе, что как раз легко выполнить для транзисторов:
– входное сопротивление транзистора | |
– коэффициент усиления по току | |
– коэффициент обратной связи по напряжению | |
– выходная проводимость транзистора |
Существует связь между h-параметрами и физическими параметрами транзистора. Для этого необходимо выполнить режим короткого замыкания и холостого хода в Т-образной схеме. Тогда для схемы с ОБ получим:
.
Для схемы с ОЭ:
.
Так как ток базы в раз меньше тока эмиттера (см. выражение (4)), то:
.
Тема 5. Полевые транзисторы
Полевые (униполярные) транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, ток в которых обусловлен дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в таком приборе осуществляется за счет изменения проводимости полупроводника с помощью поперечного электрического поля (отсюда название – полевые транзисторы).
В отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы переноса зарядов обусловлены как основными, так и неосновными носителями, в полевом транзисторе управляемый ток обусловлен движением основных для данного типа полупроводника носителей заряда. Именно этим явлением объясняется второе название транзистора – униполярный.
В настоящее время получили применение две основные разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы). Схемные обозначения и графики вольт-амперных характеристик сведены в таблицу и приведены на рис. 22.
|
Рис. 22. Схемные обозначения и проходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов |
На рис. 23 приведена упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. В исходную пластину полупроводника n-типа на противоположных сторонах методом сплавления (или диффузии) вводятся акцепторные примеси таким образом, чтобы образовались области p-типа. Между областями с противоположными типами проводимости образуется p-n-переход. Область n-типа, заключенная между двумя p-n-переходами, образует проводящий канал. Область, от которой начинают движение основные носители в канале, называется истоком И. Область, к которой движутся основные носители, называется стоком С. Области p-типа, используемые для управления током в канале, образуют затвор З. Между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, чтобы оно создавало обратное смещение p-n-перехода, а напряжение между стоком и истоком имеет такую полярность, чтобы основные носители двигались от истока к стоку.
При увеличении обратного смещения на p-n-переходе область обедненного слоя расширяется и распространяется в область полупроводника n-типа, поскольку для основных носителей в слоях всегда соблюдается условие. Так как в обедненном слое практически отсутствуют свободные носители заряда, то электрический ток может быть только в проводящем канале, расположенном между обедненными слоями. Изменяя напряжение, можно изменять поперечное сечение проводящего канала, его проводимость и управлять током транзистора. Другими словами, полевой транзистор можно рассматривать как управляемый резистор.
Сткозатворные (проходные) и стоковые (выходные) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 24, а и б.
а) |
б) |
Рис. 24. Стокозатворные (а) и стоковые (б) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом |
Рассмотрим стокозатворные характеристики. Если напряжение на затворе достаточно велико, то происходит смыкание обедненных областей и ток транзистора становится равным нулю. Напряжение , при котором происходит перекрытие канала, называется напряжением отсечки. При нулевом напряжении на затворе ток транзистора максимальный – ток насыщения стокана рис. 24,а. Изменяя управляющее напряжение в пределах , можно в широких пределах изменять ток стока.
Стоковые характеристики имеют ярко выраженные крутой (область I) и пологий (область II) участки, III – область пробоя. Усилительному режиму транзистора соответствует пологий участок, на котором ток стока практически не зависит от напряжения. Последнее объясняется тем, что ток стока вызывает падение напряжения в самом канале, которое создает дополнительное обратное смещение на управляющем p-n-переходе, в результате чего проводимость канала уменьшается. Имеет место эффект модуляции проводимости канала (эффект самовыравнивания канального тока) за счет внутренней отрицательной обратной связи – с ростом напряжениянаблюдается увеличение напряженияи ток стокаснижается. Выходные характеристики имеют некоторый наклон в основном за счет токов утечки.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (или МДП-транзисторы) имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (представлена на рис. 25). МДП-транзисторы могут изготавливаться либо на полупроводниковой, либо на диэлектрической подложке. В рассматриваемом случае подложкой служит кремний n-типа. Путем окисления кремния на поверхности подложки образуется тонкий изолирующий слой диэлектрика из диоксида кремния SiO2. По этой причине МДП-транзисторы часто называют МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Через специальные отверстия в диэлектрике методом диффузии в подложке создаются две области p-типа. Межу областями p и n образуются два электронно-дырочных перехода. Одна из p-областей используется в качестве стока, а другая – в качестве истока. Подложку (ее вывод) обычно соединяют с истоком. Полярности приложенных напряжений при нормальном включении транзистора показаны на рис. 25.
При подаче на затвор отрицательного смещения электроны, находящиеся в подложке на границе с диэлектриком, вытесняются вглубь полупроводника и в поверхностном слое подложки образуется проводящий канал p-типа (дырки p притягиваются электрическим полем). От подложки канал отделен изолирующим p-n-переходом (обедненным слоем), смещенным в обратном направлении. Следует отметить, что канал индуцируется только при некотором пороговом значении напряжения . Увеличение напряжения на затвореприводит к увеличению концентрации подвижных носителей (дырок) в канале и ток стока возрастает. В результате стокозатворная ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом будет иметь вид, показанный на рис. 26 (кривая1).
Помимо МДП-транзисторов с индуцированным каналом изготавливаются МДП-транзисторы со встроенным каналом, у которых ток стока не равен нулю при нулевом напряжении на затворе (рис. 26, кривая2). При подаче на затвор транзистора с каналом p-типа отрицательного смещения возрастает концентрация дырок в канале (режим обогащения) и ток стока увеличивается. При положительном смещении на затворе (режим обеднения) ток уменьшается и при напряжении отсечки становится равным нулю.
Рис. 26. Стокозатворные характеристики МДП-транзисторов с индуцированным (1) и встроенным (2) каналами |
Таким образом, управляющее напряжение МДП-транзисторов со встроенным каналом может быть как положительным, так и отрицательным, поскольку в этих транзисторах проводящий канал существует уже при .
Стоковые характеристики МДП-транзисторов по виду подобны аналогичным характеристикам транзисторов с управляющим p-n-переходом.
В отличие от биполярного транзистора полевой транзистор управляется напряжением и характеризуется аналогично электронной лампе следующими дифференциальными параметрами:
крутизной характеристики
;
внутренним (выходным) сопротивлением
;
коэффициентом усиления
;
входным сопротивлением
.
Ток затвора для транзистора с управляющим p-n-переходом определяется обратной ветвью ВАХ p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Сопротивлениетаких транзисторов составляет 106-109 Ом. Для МДП-транзисторов входное сопротивление определяется сопротивлением слоя диэлектрика и может достигать 109-1014 Ом.
Полевые транзисторы подвержены влиянию температуры в меньшей степени, чем биполярные, так как в процессе переноса зарядов неосновные носители не участвуют. Аналогично биполярным транзисторам полевые могут включаться тремя различными способами: по схеме с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Схема с ОЗ самостоятельного применения не имеет и используется в качестве составной части более сложных каскадов. Полевые транзисторы очень чувствительны к электростатическому пробою, поэтому необходимо применять специальные защитные меры при эксплуатации этих приборов.