1.5.4 Физическая модель транзистора

При расчете электронных схем реальный транзистор в схеме заменяется нижеприведенной моделью ,которая достаточно точно отображает его свойства.

Рис.1-20 Физическая модель транзистора

Rэ =10 – 30 Ом, Rб =100 – 300 Ом, Rк =104 - 105 Ом

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник:

Рис.1-21 Транзистор как четырехполюсник

Тогда его можно описать системой h параметров:

Для определения h-параметров, воспользуемся методом короткого замыкания и холостого хода.

a) Короткое замыкание на выходе. Следовательно U2 =0.

h11=Zвх - входное сопротивление

h21б =? – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой

h21Э =? - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

1

b) Холостой ход на входе (I1=0),тогда

U1 =h12U2, h12=U1/U2 – коэффициент обратной передачи по напряжению

I2=h22U2, h22=I2/U2 =yвых - выходная проводимость.

1.5.5 Полевые (канальные) транзисторы (ПТ)

ПТ - полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. В ПТ, в отличие от биполярного транзистора {глава 1.5.1}, по полупроводниковому каналу перемещаются носители заряда только одного знака (только электроны или только дырки).

Канал - это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала - стоком. Электрод, регулирующий поперечное сечение канала, называется затвор.

ПТ изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами р и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

Это полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый р-n переход. На рисунке 1-22 приведена структура, схема включения и условное обозначение ПТ с каналом n-типа и затвором в виде р-n перехода.

В ПТ с каналом n-типа основные носители заряда в канале - электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока. Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора.

Поэтому в ПТ с каналом n-типа Uси>0, Uзи<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.

Рис 1-22 Полевой транзистор

1-вывод стока;2-затвор;3-канал;4-вывод затвора;5-вывод стока

На рисунке 1-23 показано как происходит изменение поперечного сечения канала из-за изменения ширины запирающего слоя при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n переход между затвором и каналом (рис. 1-23а) возникают равномерные слои, обедненные носителями зарядов и обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к уменьшению ширины канала.

Рис.1-23. Перекрытие канала ПТ при различных напряжениях на электродах

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис.1-236), вызывает появление неравномерного обеднённого слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжение Uси>0 и Uзи <0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.

Зависимость тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи, определяют выходные или стоковые характеристики (рис,1-24).

Рис.1-24.Выходная вольтамперная характеристики ПТ с каналом n-типа.

На начальном участке характеристики Uси + |Uзи| < Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения сток-исток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.

По выходным характеристикам ПТ можно построить переходную характеристику Iс =f(Uзи) . На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси.

Входная характеристика ПТ: Iз = f (Uзи) не используется, так как переход между затвором и каналом закрыт, ток затвора очень мал и им можно пренебречь.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Это полупроводниковый прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затвором и каналом, находится тонкий слой диэлектрика (SiO2), a р-n переход отсутствует. Такие ПТ называют МОП-транзисторами (структура металл - диэлектрик - полупроводник).

Рис.1-25 Полевой транзистор с изолированным затвором

Вольтамперные характеристики ПТ с изолированным затвором аналогичны характеристикам ПТ с затвором в виде р-n перехода. Но изолированный затвор позволяет работать и при напряжении Uзи>0, когда канал расширяется и увеличивается ток Iс.

Основные параметры ПТ:

1) крутизна переходной характеристики S = dIc/dUзи при Uси = const и

2) дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения Rc=dUси/dIс при Uзи = const.

1.6 Другие полупроводниковые приборы

1.6.1 Тиристоры

Рис.1-26 Тиристор

Тиристор-четырехслойный полупроводниковый прибор..Содержит четыре слоя чередующегося типа проводимости {глава 1.5.1}, образующих три перехода (рис.1-25) К крайним слоям прикладывается прямое напряжение, но средний 2-й переход включен в обратном направлении и ток в цепи очень мал (участок 1). При некотором напряжении Uвкл начинается лавинный пробой и ток резко возрастает (участок 3)-тиристор включается.

К среднему р (или n) слою подключен вывод управляющего электрода У. Прикладывая к нему небольшое напряжение Uупр можно уменьшить напряжение включения Uвкл.

На рис.1-27 показан процесс включения тиристорв с помощью управляющего электрода.Между источником и нагрузкой Rнагр включен тиристор. Так как Uпит < Uвкл, то тиристор закрыт, тока в нагрузке нет (рис.1). При подаче короткого положительного импульса от блока управления тиристор включается(рис.2) и дальше становится неуправляемым. Выключить его можно только снизив ток до величины Iвыкл . При работе тиристора в цепи переменного тока это происходит автоматически.

Рис 1-27 Схема управления тиристором