1. ТеоретическИе сведения

Транзисторами называют полупроводниковые приборы с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, и имеющие три и более вывода. Транзисторы разделяются на биполярные и полевые.

Биполярными называют транзисторы, имеющие два р-n перехода, в которых используются заряды носителей двух полярностей (электронов и дырок) - что определяет название транзисторов. В зависимости от типа полупроводника (n или р - типа), используемого для создания р-n переходов, биполярные транзисторы разделяются на транзисторы со структурами р-n-р и n-р-n.

Главная особенность полевых транзисторов состоит в том, что их цепь управления изолирована от выходной цепи диэлектриком или обратносмещенным р-n переходом. Фактически цепь управления полевого транзистора представляет собой конденсатор, заряд на обкладках которого изменяется под действием управляющего напряжения, и под действием поля конденсатора осуществляется изменение тока в выходной цепи.

На принципиальных электрических схемах различные типы транзисторов обозначаются в соответствии с рис. 1, где приведено условное графическое изображение биполярного транзистора с указанием основных размеров графических элементов, изображение биполярного транзистора структуры n-р-n – VT₁, биполярного транзистора - структуры р-n-р - V T₂, полевого транзистора с управляемым р-n переходом и каналом p - типа – VT₃, полевого т

Рис. 1

ранзистора с управляемым р-n переходом и каналом n - типа – VT₄, полевого транзистора с изолированным затвором и каналом n-типа с выводом подложки – VT₅, полевого транзистора с изолированным затвором и каналом p - типа с выводом подложки – VT₆, полевого транзистора  с  изолированным затвором и каналом n - типа без вывода подложки – VT₇, полевого транзистора с двумя изолированными затворами и каналом n - типа – VT₈.

Здесь же условно приведено обозначение названий выводов транзисторов (для биполярного транзистора: э - эмиттер, б - база, к - коллектор; для полевых транзисторов: и - исток, с - сток, з -затвор, п - подложка, з₁ - первый затвор, з₂ - второй затвор).

Транзисторы выпускаются на рассеиваемые мощности от 20 мВт до сотен ватт с граничными частотами от 100 кГц до 10 ГГц и более, максимально допустимыми рабочими напряжениями от единиц до тысяч вольт и токами от 5 мА до сотен ампер.

Транзисторы изготавливаются в различного типа корпусах (металлостеклянных, металлокерамических, пластмассовых), а также в бескорпусном исполнении для транзисторных микросборок и гибридных интегральных схем.

В настоящее время существует большое количество конструктивно - технологических вариантов изготовления биполярных транзисторов. Транзисторы первых разработок (50-х годов) изготавливались на основе германия по сплавной технологии (рис. 2а), современные биполярные транзисторы изготавливаются на основе кремния по диффузионной технологии и имеют планарную конструкцию (рис. 2б), позволяющую значительно уменьшить толщину базы и увеличить площадь р-n переходов.

Планарная конструкция биполярного транзистора определяет расположение электродов приборов и их выводов в одной плоскости - на поверхности кристалла.

Биполярный транзистор имеет два р-n перехода: эмиттерный (между эмиттерной 1 и базовой 2 областями) и коллекторный (между базовой 2 и коллекторной областями 3). На каждую область (эмиттера, базы и коллектора нанесена металлизация 4 и к металлизации припаяны (приварены) металлические выводы.

Биполярный транзистор содержит два р-n перехода, и для обеспечения рабочего режима транзистора необходимо к каждому переходу приложить определенное напряжение.

В связи с этим различают четыре основных режима работы биполярного транзистора:

 активный режим;

 режим насыщения;

 режим отсечки;

 инверсный режим.

В активном режиме напряжение на эмиттерном переходе - прямое, а на коллекторном - обратное. Режим насыщения соответствует прямым напряжениям на эмиттерном и коллекторном переходах. В режиме отсечки напряжения на двух переходах - обратные. Инверсный режим характеризуется прямым напряжением на коллекторном переходе и обратным - на эмиттерном.

В радиоэлектронной аппаратуре широко применения в основном используется активный режим работы транзисторов, обеспечивающий усиление и преобразование различных электрических сигналов. Режим отсечки и насыщения используется в ключевых схемах (электронных ключах) устройств автоматики и вычислительной техники. Инверсный режим используются достаточно редко в специальных электронных узлах измерительной техники.

В основу принципа действия биполярного транзистора положен эффект влияния базы на прохождение носителей электрических зарядов из области эмиттера в область коллектора.

В активном режиме работы транзистора между базой и эмиттером приложено прямое напряжение, а между коллектором и базой - обратное. В результате этого эмиттерный переход смещается в прямом направлении и через него из области эмиттера в область базы поступают носители зарядов (для n-р-n транзистора в область базы будут поступать электроны). Вследствие малой толщины базы (которую стремятся делать как можно тоньше) носители зарядов, поступающие в базу из области эмиттера будут доходить до коллекторного перехода транзистора, смещенного в обратном направлении. И под действием поля, образованного в коллекторном переходе носители зарядов будут переноситься в область коллектора, создавая в коллекторной цепи ток коллектора транзистора.

До коллекторного перехода будут доходить не все носители зарядов, диффундированные из области эмиттера, т.к. часть зарядов в области базы будет рекомбинировать с противоположными по знаку зарядами, поступающими в область базы от источника питания, подключенного между базой и эмиттером. В зависимости от толщины базы и концентрации носителей в базе будут рекомбинировать только несколько процентов носителей зарядов, поступающих из области эмиттера. За счет рекомбинации в цепи база - эмиттер будет протекать небольшой ток, называемый током базы. При этом, основная часть носителей зарядов из области эмиттера будет проходить через базу и поступать в область коллектора, создавая коллекторный ток транзистора, значение которого будет во много раз больше тока базы транзистора.

Если изменять напряжение между эмиттером и базой транзистора, то будет изменяться степень прямого смещения эмиттерного р-n перехода, а следовательно, и количество зарядов, поступающих из области эмиттера в область коллектора.

Принцип действия полевых транзисторов основан на изменении проходящего тока через специальный канал. Канал - это область полупроводникового кристалла, в которой поток носителей заряда регулируется изменением площади его поперечного сечения. Для подключения к каналу используют два электрода, называемых истоком и стоком.

Истоком называют электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители зарядов, выходящие из канала через второй электрод, называемый стоком. Электрод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, называется затвором.

По типу полупроводника, из которого выполнен канал полевые транзисторы разделяют на транзисторы с каналом n и р - типа.

В классе полевых транзисторов различают полевые транзисторы с управляющим р-n переходом и транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП транзисторы). Очень часто в качестве диэлектрика транзисторов со структурой МДП используется оксиды (в частности, диоксид кремния SiO₂), поэтому в литературе нередко встречается термин МОП транзистор (металл-оксид-полупроводник). МДП транзисторы в свою очередь разделяются на транзисторы со встроенным (собственным) каналом и транзисторы с индуцированным каналом.

В   полевых транзисторах  с  управляющим  р-n переходом (рис. 3а) управляющая цепь (затвор - з) отделена от канала обратно смещенным р-n переходом, при этом канал образован частью кристалла полупроводника с меньшим поперечным сечением.

При подаче на сток полевого транзистора с каналом n-типа положительного напряжения относительно истока канал будет проводить электрический ток, значение которого будет зависеть от напряжения сток-исток и от сопротивления канала. Если на затвор относительно истока подать обратное для перехода затвор-канал напряжение (для транзистора с каналом n-типа - отрицательное напряжение), то произойдет сужение канала за счет увеличения ширины запирающего слоя и уменьшение площади его сечения. При этом сопротивление канала увеличится, а следовательно, уменьшится ток, протекающий через канал (ток стока). Уменьшение обратного напряжения на затворе приведет к уменьшению сопротивления канала и увеличению тока стока.

МДП транзистор со встроенным каналом (рис. 3б) состоит из подложки - пластины кремния (обычно n-типа). В подложке методом локальной диффузии образованы две области р-типа (сток и исток). Эти области соединяются тонким (толщиной 2  5 нм) поверхностным слоем полупроводника р-типа - каналом. Поверхность кристалла полупроводника покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно диоксидом кремния SiO₂), толщиной 0,8  2 мкм. Сверху диэлектрика над каналом нанесена металлическая пленка - затвор полевого транзистора, к которой приварен вывод затвора. С помощью такой же металлической пленки в окнах диэлектрика над истоком и стоком образованы контакты с соответствующими областями, соединенные с выводами истока и стока транзистора. Снизу на кристалл подложки также нанесена металлическая пленка, от которой делается вывод подложки полевого транзистора.

При подключении между стоком и истоком источника напряжения (аналогично полевому транзистору с управляемым р-n переходом) по цепи от истока к стоку будет протекать электрический ток, значение которого будет определяться управляющим напряжением между затвором и истоком.

В некоторых МДП транзисторах делается вывод от подложки, что позволяет подавать управляющее напряжение между затвором и подложкой транзистора, что расширяет возможности использования МДП транзисторов.

МДП транзистор с индуцированным каналом (рис. 3в) в отличие от МДП транзистора со встроенным каналом не имеет специально выполненного канала, замыкающего области истока и стока. В этом транзисторе проводящий канал между истоком и стоком образуется лишь при подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока и подложки (для подложки n-типа).

В зависимости от полярности подключения источников питания для полевых транзисторов аналогично биполярным различают четыре основных режима работы полевых транзисторов:

 активный режим работы соответствует изменению выходного тока и напряжения на транзисторе в зависимости от входного напряжения - используется для усиления и преобразования сигналов;

 режим насыщения соответствует минимальному сопротивлению канала транзистора, максимальному выходному току и минимальному выходному напряжению - используется в электронных ключах и выключателях;

 режим отсечки соответствует максимальному сопротивлению канала, а следовательно минимальному выходному току и максимальному выходному напряжению - используется в ключевых и импульсных схемах;

 инверсный режим работы полевого транзистора соответствует перемене роли стока и истока. При этом прямые и инверсные характеристики полевого транзистора в общем случае отличаются друг от друга, т.к. области истока и стока различаются как конструкцией, так и технологически.

Основными параметрами биполярных транзисторов, определяющими использование транзисторов в схемах усиления и преобразования сигналов являются:

 статические коэффициенты усиления по току в схеме с общей базой _ст и в схеме с общим эмиттером _ст;

 _ст = i_к.об/i_б.об,  _ст = i_к.оэ/i_б.оэ = _ст/(1 - _ст)

характеризуют усилительные свойства по току транзистора в соответствующих схемах включения (максимальное значение _ст - может приближается к единице, _ст - для современных транзисторов составляет нескольких десятков до сотен и тысяч);

 максимально допустимые напряжения коллектор - эмиттер U_кэ.max, коллектор - база U_кб.max, база - эмиттер U_бэ.max - максимальные напряжения, при которых транзистор может работать длительное время без изменения своих параметров;

 максимально допустимый ток коллектора I_к.max и ток базы I_б.max - наибольшие токи, которые могут проходить в цепи коллектора и базы;

 максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность транзистора Р_max - максимальная мощность, которую может рассеивать транзистор в виде тепла длительное время;

 обратный ток коллекторного I_ко и эмиттерного I_эо переходов - максимальные значения обратных токов переходов при предельно допустимых значениях напряжений для максимально допустимой температуры переходов;

 граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером f_гр - частота, на которой коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером уменьшается до единицы;

 емкости коллекторного С_к и эмиттерного С_э переходов и проходная емкость (между выходом и входом транзистора) С_кб - определяют возможности использования транзисторов в усилителях высокой частоты и импульсных схемах.

^{Биполярные транзисторы характеризуются входной ВАХ (рис. 4а) (зависимость входного тока от входного напряжения), семейством выходных ВАХ (рис. 4б) (зависимости выходного тока от выходного напряжения для заданных токов базы), а также проходной характеристикой (рис. 4в) (зависимость выходного тока от входного тока или напряжения), вид которых зависит от схемы включения транзистора.}

а) б) в)

Рис. 4

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

 начальный ток стока I_сн - ток стока при напряжении на затворе, равном нулю;

 напряжение отсечки U_зи.отс - напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока имеет минимальное значение;

 крутизна характеристики S - отношение изменения тока стока di_ст к изменению напряжения между затвором и истоком du_зи:

S = di_ст /du_зи;

 внутреннее дифференциальное сопротивление: R_диф=du_си/di_с;

 коэффициент усиления: М = du_си/du_зи;

 максимально допустимые напряжения: сток-исток U_cи.max, затвор-исток U_зи.max; максимально допустимый ток стока I_с.max, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Р_max - максимальные значения электрических параметров, при которых сохраняются рабочие характеристики транзисторов;

 емкости между электродами полевого транзистора: входная емкость С_зи, проходная емкость С_зс; выходная емкость С_си.

П олевые транзисторы характеризуются также проходными и выходными ВАХ, вид которых зависит от типа полевого транзистора и схемы его включения. На рис. 5а приведены выходные ВАХ полевого транзистора с управляющим р-n переходом и каналом n-типа, а на рис. 5б - проходные ВАХ того же транзистора.

а) б)

Рис. 5

Промышленностью выпускаются разнообразные биполярные и полевые транзисторы, которые находят применение начиная от слаботочных цепей с низкими напряжениями питания усилительной аппаратуры до сильноточных и высоковольтных цепей источников питания и коммутационной аппаратуры. Высокое входное сопротивление полевых транзисторов (особенно МДП транзисторов), возможность получения больших коэффициентов усиления, высокие граничные частоты работы и минимальная мощность потребления аппаратуры значительно расширяют применение полевых транзисторов как в дискретном исполнении, так и в составе интегральных схем, постепенно вытесняя биполярные транзисторы.

В настоящее время разработаны также МДП транзисторы, имеющие два затвора (например КП306, КП350), и позволяющие управлять током стока по двум независимым входным цепям.

В радиоэлектронных изделиях находят применение биполярные транзисторы разработки 60  70-х годов (ГТ108, ГТ402, ГТ404, КТ209, КТ315, КТ805, КТ815, КТ817, КТ838, КТ903, КТ904 и др.) и более современные разработки транзисторов (ГТ346, КТ3102, КТ3107, КТ3117, КТ503, КТ368, КТ825, КТ827, КТ838, КТ940, КТ961, КТ972 и др.), а также полевые транзисторы типов КП103, КП302, КП303, КП305, КП306, КП350, КП703, КП901, КП905, КП907 и др.

А нализ и расчет электрических цепей с транзисторами рекомендуют проводить с использованием ЭВМ на основе математических моделей транзисторов с использованием специальных прикладных пакетов программ, однако при проведении простых расчетах можно воспользоваться графическим способом анализа, а также анализом схем на основе эквивалентных схем транзистора.

При графическом способе используется тот же подход, что и при анализе диодных схем с построением на соответствующих ВАХ транзистора двух линий нагрузки (для входной и выходной характеристик).

Для расчета схемы (рис. 6) уравнения линий нагрузки будут иметь вид:

Е_б = i_бR_б + u_бэ;

Е_к = i_кR_к + u_кэ.

Если построить линии нагрузки на входной и выходной ВАХ транзистора, то их точки пересечения с ВАХ для выбранного режима дадут искомые значения тока базы i_б.рт и коллектора i_к.рт и напряжений u_бэ.рт и u_кэ.рт (рис. 7).

Сначала по входной ВАХ определяют ток базы i_б.рт в рабочей точке, а затем по выходной характеристике, соответствующей этому току, определяют ток коллектора i_к.рт в рабочей точке, напряжение между коллектором и эмиттером u_кэ.рт и падение напряжения u_Rк на резисторе R_к. Найденную точку “рт” называют рабочей точкой транзистора.

Графический анализ схем с полевыми транзисторами проводится аналогично анализу схем с полупроводниковыми диодами и биполярными транзисторами.

Г рафический анализ (расчет) схемы усилителя на полевом транзисторе (с управляющим р-n переходом и каналом p – типа) на примере транзистора типа КП103И (рис. 8) проводится следующим образом.

Поскольку в этой схеме практически нет входного тока (тока затвора) и напряжение u_зи равно напряжению источника напряжения Е_зи, то нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи.

Линию нагрузки необходимо построить только для выходной цепи, что можно сделать, используя выражение:

Е_с = i_cR_c + u_ис.

Построив линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, для заданного напряжения u_зи можно определить ток стока, по значению которого можно рассчитать напряжение u_си.рт и падение напряжения на резисторе R_c.

При анализе схем на биполярных и полевых транзисторах с использованием эквивалентных схем транзистор заменяют его эквивалентной схемой, и полученную электрическую цепь рассчитывают, используя методы анализа электрических цепей постоянного тока, которые рассматривались в первой части курса “электротехника и электроника”.

Эквивалентные схемы транзисторов зависят от их включения и режима работы. Для схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером ОЭ и полевого транзистора с управляемым р-n переходом в схеме с общим истоком ОИ при расчетах можно использовать эквивалентные схемы (рис. 9) и (рис. 10), соответственно, справедливые для активного режима работы транзисторов.

З десь сопротивления R’_б, R’_э, R’_к, R_и, R_с отражают факты

наличия соответствующих сопротивлений слоев полупроводников транзисторов, а емкости С_к, С_зи и С_зс учитывают емкости р-n переходов (их включают при анализе цепей на переменном токе).

Для съема вольтамперных характеристик биполярных транзисторов в лабораторной работе используется схема (рис. 11).

З десь исследуемый транзистор VT₁ (на схеме изображен биполярный транзистор структуры n-р-n) подключается к источникам ЭДС: Е₁, задающему ток базы i_б, и Е₂, определяющему ток коллектора i_к. При съеме ВАХ транзисторов структуры p-n-p полярность источников ЭДС Е₁ и Е₂ необходимо изменить на противоположную и поменять местами клеммы подключения миллиамперметров РА₁ и РА₂).

С помощью переменного резистора R₂ можно изменять напряжение u_бэ и ток базы i_б, значение которого при съеме ВАХ определяется с помощью миллиамперметра РА₁. Коллекторный ток транзистора определяется с помощью миллиамперметра РА₂, а напряжение на коллекторе u_кэ – напряжением источника ЭДС Е₂.

Для исследования работы биполярного транзистора в качестве электронного ключа в лабораторной работе используется схема (рис. 12). Здесь биполярный транзистор VT₁ (структуры n-р-n) – электронный ключ в зависимости от синусоидального входного сигнала генератора периодически открывается (переходит в режим насыщения) и закрывается (переходит в режим отсечки).

Если с помощью осциллографа зарегистрировать временную диаграмму выходного напряжения u_вых, то режиму насыщения будет соответствовать низкий уровень выходного напряжения, а режиму отсечки – высокий уровень, практически равный напряжению Е_к.

Чтобы транзистор из режима отсечки переходил в режим насыщения, необходимо, чтобы ток базы i_бн в режиме насыщения по отношению к току коллектора i_кн был равен:

i_бн  5 , (1)

где _cт – статический коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером (определяется выбранным транзистором – при расчетах принять для четных вариантов заданий _cт = 50, для нечетных _cт = 40.

Если вариантом задания задан транзистор структуры p-n-p, то в схеме (рис. 12) полярность подключения источника ЭДС Е_к необходимо изменить на противоположную, и на схеме изобразить биполярный транзистор структуры p-n-p.

Ток коллектора i_кн можно приближенно определить по сопротивлению коллектора R₂ и напряжению Е_к:

i_кн = , (2)

где u_кэн – напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения, которое можно принять равным u_кэн = 0,6 В.

Определяя из выражения (2) ток коллектора i_кн, а затем по току коллектора в соответствии с выражением (1) - ток базы i_бн, можно рассчитать сопротивление резистора R₁, обеспечивающего работу электронного ключа в режиме насыщения. Для этого можно воспользоваться выражением (3):

R₁ = , (3)

где U_m – амплитуда выходного сигнала генератора; u_бэн – напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения (при расчетах принять равным u_бэн = 0,8 В).