Электроника_Книга

Рисунок 5.7 ― Схема по рисунку 5.6, б на интервале 0–1

Поэтому ток коллектора VT1 IК1 по цепи: «+»EK, эмиттер VT1, коллектор VT1, HL1, «–»EK не потечет и лампа HL1 не горит. По цепи: «+»EK, эмиттер VT2, база VT2, R2, HL1, «–»EK будет протекать ток (рисунок 5.7). Так как сопротивление R2 составляет сотни кОм, то величины этого тока будет недостаточно для зажигания лампы HL1. Однако этот ток будет являться током базы VT2 IБ2, и он откроет транзистор VT2, переведя его из области отсечки в область насыщения. Сопротивление VT2 в направлении Э–Б–К станет близким к нулю, и по цепи: «+»EK, эмиттер VT2, коллектор VT2, HL2, «–»EK потечет достаточно большой ток IК2. Лампа HL2 включится (рисунок 5.7).

На интервале 1–2 (рисунок 5.6, а) на переход jЭ VT1 подано прямое смещение и по цепи: нижняя точка uВХ, эмиттер VT1, база VT1, R1, верхняя точка uВХ потечет ток, который будет являться током базы IБ1 (рисунок 5.8). Транзистор VT1 открывается и переводит VT1 из области отсечки в область насыщения. Сопротивление Э–Б–К VT1 падает практически до нуля, и в цепи: «+»EK, эмиттер VT1, коллектор VT1, HL1, «–»EK потечет достаточно большой ток IК1, под действием которого HL1 включается.

Открытие VT1 приводит к тому, что параллельно входной цепи VT2 (эмиттер VT2, база VT2, R2) включается практически нулевое сопротивление VT1 в направлении Э–Б–К. А так как ток в параллельных ветвях распределяется обратно пропорционально сопротивлениям этих ветвей, то весь ток будет протекать по отрытому транзистору VT1, а по базе VT2 IБ2 = 0 (рисунок 5.8). Следовательно, транзистор VT2 закроется, и ток его коллектора IК2 = 0. Лампа HL1 погаснет.

81

Рисунок 5.8 ― Схема по рисунку 5.6, б на интервале 1–2

На рисунке 5.9, а приведена схема сторожевого устройства с проволочной петлей, а на рисунке 5.9, б – его исполнительный орган. Вход схемы зашунтирован токопроводящей петлей, роль которой может выполнять медная проволока, натянутая по периметру какого-либо охраняемого объекта.

Рисунок 5.9 ― Схемы сторожевого устройства с проволочной петлей (а) и его исполнительного органа (б)

Сопротивление медной петли (сотые доли Ом) много меньше сопротивления перехода jЭ (десятки Ом). Поэтому, если петля не разорвана (рисунок 5.10, а), то весь ток от источника EK протекает по петле, а не по входной цепи VT (эмиттер VT, база VT). Следователь-

82

но, ток базы IБ = 0, транзистор закрыт и находится в области отсечки. По обмотке реле К ток также равен нулю, и поэтому контакты реле К1 разомкнуты.

Рисунок 5.10 ― Принцип работы сторожевого устройства с замкнутой (а) и разомкнутой (б) проволочной петлей

При разрыве петли (рисунок 5.10, б) ток от источника EK потечет

по входной цепи VT (эмиттер VT, база VT). Ток базы IБ = IБ НАС, транзистор откроется и перейдет в область насыщения. По обмотке реле

К потечет достаточно большой ток, что вызовет замыкание контактов реле К1. Таким образом, будет подано напряжение на исполнительный орган и возникнет световой или звуковой сигнал тревоги.

5.6Вопросы для самоконтроля

1.Ключевой режим работы транзистора. Устройства, в которых транзистор работает в КР.

2.Механический аналог транзистора при работе его в КР.

3.Области на выходных характеристиках, в которых транзистор работает в КР.

4.Как перевести транзистор из области отсечки в область насыщения и наоборот. Какое направление полярности относительно друг друга должны иметь напряжения смещения и входных сигналов?

5.Величины тока базы и тока коллектора при работе транзистора в КР.

83

6.Схема импульсного усилителя с источником смещения. Форма входного сигнала в этой схеме.

7.Схема импульсного усилителя без источника смещения. Форма входного сигнала в этой схеме.

8.Рабочие точки транзистора в КР на входной характеристике.

9.Рабочие точки транзистора в КР на выходной характеристике.

10.Построение диаграмм токов и напряжений на элементах схемы с источником смещения.

10.1.Входного напряжения uВХ.

10.2.Напряжения смещения uСМ.

10.3.Результирующего входного напряжения uВХ РЕЗ.

10.4.Областей работы транзистора.

10.5.Напряжения на резисторе uR.

10.6.Напряжения на коллекторе uK.

11.Форма входного сигнала и схема импульсного усилителя для переключения ламп.

12.Работа схемы импульсного усилителя для переключения ламп.

12.1.При положительной полярности входного сигнала.

12.2.При положительной полярности входного сигнала.

13.Схема сторожевого устройства с проволочной петлей.

14.Работа схемы сторожевого устройства с проволочной петлей.

14.1.При замкнутой петле.

14.2.При разомкнутой петле.

15.В соответствии с заданным вариантом выбрать из приложения Б схему импульсного усилителя, изучить и дать подробное описание работы этой схемы.

84

6 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

6.1 Общие сведения о полевых транзисторах (ПТ)

Полевым транзистором (ПТ) называется полупроводниковый прибор, у которого управление потоком основных носителей заряда осуществляется электрическим полем. В англоязычной литературе ПТ называют транзисторами типа FET (Field E ect Transistor — полевого действия транзистор).

В схемах ПТ выполняют ту же роль, что и биполярные. Они могут работать как в усилительном, так и в ключевом режимах. В настоящее время ПТ все чаще вытесняют биполярные.

Главная особенность ПТ состоит в том, что их цепь управления изолирована от выходной цепи р-n переходом, включенным в обратном направлении, или диэлектриком. Поэтому усилительный каскад, выполненный на ПТ, обладает очень высоким входным сопротивлением (106 … 1015 Ом), что позволяет подавать на его вход сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением. При этом входной ток усилителя настолько мал (10–6 А), что считается равным нулю. И если в биполярных транзисторах для изменения выходного тока приходится менять ток управления, то в ПТ – управляющее напряжение. Протекание рабочего тока в полевом транзисторе обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому их иногда называют униполярными.

По типу основных носителей ПТ подразделяются на транзисторы с каналом р-типа (в проводимости участвуют только дырки) и транзисторы с каналом n-типа (в проводимости участвуют только электроны).

По конструктивному выполнению делятся на два вида: ПТ с

управляющим р-n переходом и ПТ с изолированным затвором. Последние нашли широкое применение как основные элементы для создания устройств для переработки (микропроцессоры) и хранения (флеш-накопители) информации.

85

6.2 Полевые транзисторы с управляющим р–n переходом

6.2.1 Устройство и принцип действия

Рассмотрим устройство и принцип действия ПТ с управляющим р–n переходом на примере ПТ с каналом р-типа (рисунок 6.1).

Он состоит из кремниевой пластины р-типа, края которой имеют высокую (р++), а середина низкую (р+) концентрации примесей. На торцы пластины нанесены металлические слои – электроды. Один из них называется истоком (И), другой — стоком (С) (см. рисунок 6.1). Исток и сток выполняют в ПТ такую же функцию, как эмиттер и коллектор в биполярном (см. раздел 3), исток испускает носители заряда (в данном случае дырки), а сток их принимает. Середина пластины с низкой концентрацией примесей (р+) называется каналом, длина которого на рисунке 6.1 обозначена lК, а высота – hК.

Вдоль средней части канала на небольшую глубину введен полупроводник другого типа проводимости (в данном случае n-типа) с высокой концентрацией примесей (n--), на который также нанесен металлический электрод называемый затвором (3). Затвор выполняет в ПТ такую же функцию, что и база в биполярном, то есть его назначение регулировать поток основных носителей от истока к стоку.

Рисунок 6.1 — Структурная схема полевого транзистора с управляющим р–n переходом и каналом р-типа

Принцип работы ПТ основан на прохождении тока по каналу, проводящее сечение которого зависит от величины запирающего

86

слоя р–n перехода, созданного в месте контакта канала (р+) и затвора (n--).

Запирающий слой, который возникает в месте контакта р– и n– полупроводников (см. подраздел 1.3), практически полностью лишен подвижных носителей заряда, так как состоит из неподвижных положительно или отрицательно заряженных атомов (рисунок 1.5, а). Поэтому его проводимость будет так же мала, как и у полупроводника с собственной проводимостью.

Если подать на исток «+», а на сток «–» (рисунок 6.2), то по каналу потечет ток, обусловленный основными носителями, в данном случае дырками. Величина его будет зависеть от проводящего сечения канала, который, в свою очередь, определяется величиной запирающего слоя в месте контакта истока и затвора.

Если на р–n переходе «исток–затвор» напряжение отсутствует, то в нем возникает запирающий слой, вызванный хаотичным движением основных носителей (см. п. 1.3.1). При этом запирающий слой очень мал, и поэтому в электропроводимости может участвовать практически все сечение канала (рисунок 6.2, а). Ток, протекающий от истока к стоку (IС), имеет максимальное значение, и ПТ считается открытым.

При подаче на р–n переход «исток–затвор» обратного напряжения – «+» на затвор (n-область) и «–» на исток (р-область), равного UЗИ1 (рисунок 6. 2, б), ширина запирающего слоя dр–n возрастает. Таким образом сечение канала, которое может участвовать в электропроводимости, а следовательно, и ток, протекающий от истока к стоку, уменьшатся.

Несимметрия запирающего слоя относительно вертикальной оси объясняется тем, что на сток, относительно затвора, подается еще более «–» потенциал, чем на исток. Это приводит к тому, что на величину запирающего слоя оказывает влияние и напряжение UСИ, которое, складываясь с UЗИ, уменьшает токопроводящее сечение канала при приближении к стоку. Поэтому при одном и том же UЗИ, но при неодинаковых UСИ (UСИ1 < UСИ2) сечение канала, используемое для электропроводности, будет различным (рисунок 6.2, б и в).

При увеличении напряжения UЗИ до определенной величины, которая называется напряжением отсечки UЗИ ОТС (рисунок 6.2, г), запирающий слой полностью перекроет токопроводящее сечение канала (dр–n = hК). В этом случае ток от истока к стоку будет близок к нулю, а ПТ считается закрытым.

Таким образом, изменяя входное напряжение UЗИ от 0 до UЗИ ОТС, можно менять сопротивление ПТ в направлении «исток–сток» практически от нуля до бесконечности.

87

Рисунок 6.2 – Перекрытие токопроводящего канала запирающим слоем в полевом транзисторе с управляющим р–n переходом и каналом р-типа при различных значениях напряжения «затвор–исток»:

UЗИ = 0 (а), 0 < UЗИ1 < UЗИ ОТС (б, в), UЗИ ≥ UЗИ ОТС (г)

Носителями электричества в ПТ с управляющим р–n переходом и каналом р-типа являются дырки. Электроны в электропроводимости данного типа транзисторов не участвуют. Поэтому ПТ и называют униполярными, в отличие от биполярных, в электропроводимости которых участвуют как дырки, так и электроны.

Низкая концентрация примесей в канале (р+) и высокая в затворе (n--) (рисунок 6.1) позволяет значительно увеличивать величину запирающего слоя в сторону канала, что усиливает управляющее действие затвора. Кроме того, высота канала hК делается по возможности малой. Эти меры приводят к тому, что напряжение UЗИ ОТС у реальных ПТ составляет всего лишь единицы вольт. Но сопротивление открытого транзистора при этом увеличивается. Для уменьшения этого сопротивления области истока и стока делают с повышенной (р++) концентрацией примесей (рисунок 6.1).

Принцип работы ПТ с управляющим р–n переходом и каналом n-типа аналогичен принципу действия транзистора с каналом р-типа. Отличия заключаются в том, что носителями заряда в них будут являться электроны, а структура транзистора, напряжения и токи будут противоположными тем, которые изображены на рисунках 6.1 и 6.2.

88

6.2.2 Схемы включения и характеристики полевых транзисторов

На рисунках 6.3, а и б приведены условные графические и буквенные обозначения ПТ с управляющим р–n переходом и каналами р- и n-типов.

Рисунок 6.3 – Условные графические и буквенные обозначения полевых транзисторов с управляющим р–n переходом и каналами р- (а) и n- (б) типов

Полевые транзисторы, так же как и биполярные, могут быть включены в три различные схемы: с общим затвором (рисунок 6.4, а), с общим истоком (рисунок 6. 4, б) и с общим стоком (рисунок 6.4, в). Наибольшее распространение получили схемы с общим истоком и общим стоком.

Рисунок 6.4 – Схемы включения полевых транзисторов

суправляющим р–n переходом и каналом р-типа: с общим затвором (а),

собщим истоком (б) и с общим стоком (в)

Зависимости между токами и напряжениями в ПТ определяются следующими характеристиками:

–статическими выходными (стоковыми) – IС = f(UСИ) при UЗИ =

=const;

–управляющими (стокозатворными) – IС = f(UЗИ) при UСИ =

=const.

89

Выходные характеристики ПТ с управляющим р-n переходом в схеме с общим истоком (рисунок 6.4, б), снятые при различных входных напряжениях UЗИ, приведены на рисунке 6.5.

Для примера рассмотрим характеристику, снятую при UЗИ = UЗИ1. Из нее видно, что с увеличением выходного напряжения между стоком и истоком UСИ выходной ток IС сначала растет довольно быстро (участок ОA на рисунке 6.5). На этом участке выходные характеристики почти линейны. Их угол наклона, который прямо пропорционально определяет проводимость канала, зависит только от величины входного напряжения UЗИ. Поэтому, ограничив работу ПТ на этих участках, можно использовать его в качестве линейного управляемого сопротивления.

Рисунок 6.5 – Статические выходные характеристики полевого транзистора с управляющим р–n переходом

При дальнейшем увеличении UСИ (участок АВ на рисунке 6.5) рост IС замедляется. Это происходит потому, что запирающий слой в области стока увеличивается (рисунок 6.2, б), так как на него действует сумма входного и выходного напряжений UЗИ + UСИ. Поэтому сопротивление канала возрастает.

В т. В рост выходного тока IС практически прекращается (участок ВС на рисунке 6.5). Увеличение выходного напряжения UСИ приводит, с одной стороны, к увеличению носителей заряда (дырок), а с другой – к увеличению сопротивления канала из-за расширения запирающего слоя (рисунок 6.2, в). Поэтому ток IС на участке ВС остается почти неизменным. Этот участок соответствует режиму насыщения. В т. В выходное напряжение называется напряжением на-

90