В системе z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов ;

Схема замещения БТ для системы Z- параметров приведена на рис.4.9.

Рис.4.9.

В этом случае сами параметры можно записать как:

– входное сопротивление транзистора; (4.6)

– сопротивление обратной связи транзистора; (4.7)

– сопротивление прямой передачи БТ; (4.8)

– выходное сопротивление. (2.24)

Для определения Z–параметров необходимо создать режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, тогда как выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. К недостаткам Z–параметров можно отнести также низкочастотный диапазон их применения

В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника зависят от напряжений , (4.9)

Рис.4.10.Эквивалентная схема транзистора с использованием Y–параметров

Схема замещения транзистора с использованием Y–параметров (рис.4.10.), получена на основании уравнения (3.16). Генератор тока отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор – влияние входного напряжения на выходной ток.

В этом случае можно определить параметры, как :

– входная проводимость; (4.10)

– проводимость обратной передачи; (4.11)

– проводимость прямой передачи; (4.12)

– выходная проводимость. (4.13)

Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора.

Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.

Достоинством системы Y–параметров является хорошее описание высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто. Эта система широко используется в расчетах усилителей и генераторов ВЧ диапазона, а Y–параметры ВЧ транзисторов приведены в справочниках.

Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх.

; (4.14)

. (4.15)

Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис.4.11.

Рис.4.11.

Физический смысл H-параметров можно определить из условий к.з. на выходе и х.х. на входе,

– входное сопротивление; (4.16)

– коэффициент обратной связи по напряжению; (4.17)

– коэффициент передачи по току; (4.18)

– выходная проводимость. (4.19)

Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах. Реализация режимов холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе не изменяет выбранного режима работы по постоянному току.

Однако в записанном выше виде система является статической и для практического использования ее необходимо переписать не для постоянных напряжений и токов, а для их изменений в рабочей точке БТ.

В этом случае система h-параметров позволяет связать между собой амплитудные (действующие) значения переменных составляющих входных и выходных токов и напряжений.

Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Рассмотрим порядок графоаналитического метода расчета h-параметров БТ с ОЭ. Для определения дифференциальных параметров и в заданной рабочей точке А ( , , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис.4.6.а Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.20)

. (4.21)

Параметры и определяются по семейству выходных характеристик. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h_21Э и дифференциального параметра h_21э. В окрестности точки А' ( , , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения, как показано на рис. 4.6, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.22)

. (4.23)

Аналогично определяются h-параметры для транзистора с ОБ.

11. Системы Н-параметров биполярного транзистора

Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины. h-параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным напряжением U1 = Uбэ, входным током I1 = Iб, выходным напряжением U2 = Uкэ и выходным током I2 = Iк могут быть выражены системой двух уравнений: ΔU1 = h11ΔI1 + h12ΔU2, ΔI2 = h21ΔI1 + h22ΔU2, где h11э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h12э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току); h21э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h22э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе. h11э = ΔUбэ / ΔIб при Uкэ = const; h12э = ΔUбэ / Uкэ при Iб = const; h21э = ΔIк / ΔIб при Uкэ = const; h22э = ΔIк / Uкэ при Iб = const. Индекс «э» обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов h-параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора: параметры h11 и h12 – по входным (рис. 4.6, а, б), параметры h21 и h22 – по выходным (рис. 4.6, в, г).

Рис.4.6.Определение h-параметров по входным и выходным характеристикам

11. Работа БТ с нагрузкой, раб. Точка

13. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, их статические характеристики

Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа приведена на рис.5.1. На подложке из p-кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала, т.е. токопроводящей области, сопротивление которой регулируется электрическим полем..

Рис.5.1. Устройство ПТ с управляющим p-n-переходом

Нижний p-n-переход изолирует канал от подложки и задает начальную толщину канала. Обычно выводы истока и подложки соединяют. Принцип действия ПТ с управляющим p-n-переходом основан на увеличении сопротивления активного слоя (канала) путем расширения p-n-перехода при подаче на него обратного напряжения. Для эффективного управления сопротивлением канала полупроводник, образующий область затвора легирован сильнее (p+), чем области канала (n), при этом расширение обедненного слоя происходит в сторону канала. Наиболее характерной чертой полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, т.к. ток затвора мал, поэтому они управляются напряжением. слоями.

Рис.5.2. ПТ с управляющим р-п- переходом при U_зи = U_отс.

При сопротивление канала минимально , где  – удельное сопротивление полупроводника канала; l, w – длина и ширина канала соответственно, h – расстояние между металлургическими границами n-слоя канала. Чем больше обратное напряжение на затворе , тем шире p-n-переходы, тоньше канал и выше его сопротивление. При некотором напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки , канал полностью перекрывается обедненными Сопротивление канала становится очень большим и реально достигает значений десятки – сотни мегаом.

При подаче на сток положительного напряжения в канале возникает ток , и напряжение в любом сечении канала , измеренное относительно истока, является функцией расстояния до истока за счет конечного значения удельного сопротивления канала. Поэтому и напряжение между любым сечением канала и затвором является функцией расстояния до истока –  . Минимальным является напряжение при , а максимальным при . Причем для управляющего перехода эти напряжения являются запирающими, поэтому ширина перехода возрастает от истока к стоку, а ширина канала уменьшается. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , канал вблизи стока сужается до минимальной толщины (см. рис. 5.2.). Сопротивление канала при этом больше начального . Под действием напряжения насыщения через канал протекает ток максимальной величины .

Вольт амперные характеристики ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики передачи (cток-затворные) – приведены на рис.5.2ссссссссссссссссссссссссссссссссссс .

а) б)

Рис.5.3. Вольт амперные характеристики ПТ: а) выходные (стоковые) –и б) характеристики передачи (cток-затворные) –

15. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика – двуокись кремния SiO₂. Это отражено и в их названии. Полевые транзисторы с изолированным затвором называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник). Существуют МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

В основе действия МДП-транзистора лежит эффект поля, представляющий собой изменение величины и типа электропроводности полупроводника вблизи его границы с диэлектриком под действием приложенного напряжения. Рассмотрим МДП-структуру, изображенную на рис. 5.4.. и содержащую подложку с проводимостью p-типа.

.

Рис.5.4. МДП транзистор с индуцированным каналом.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа (см. рис. 2.25.) при напряжении на затворе канал отсутствует и при подаче ток стока будет равен нулю. Механизм образования канала состоит в том, что при подаче на затвор положительного напряжения дырки переносятся полем с поверхности в глубь полупроводника и в области под затвором образуется слой с уменьшенной их концентрацией

При некотором напряжении напряжения затовора, называемом пороговым , у поверхности полупроводника р-типа концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. появляется тонкий слой полупроводника с электропроводностью n-типа и происходит инверсия электропроводности полупроводника. Изменяя напряжения на затворе, можно изменять концентрацию электронов в канале, а значит, и его сопротивление. Если увеличивать положительное напряжение на затворе, концентрация электронов в канале увеличивается, то есть происходит обогащение канала электронами. На рис 2.26. показаны основные ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики управления (передачи) (cток-затворные) – . Поведение характеристик полностью соответствует физике процессов формирования тока в канале.

В справочниках обычно в качестве порогового приводится значение , при

котором ток стока . При в МДП-транзисторах с каналом n-типа увеличение напряжения на затворе приводит к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения его электронами, ток стока при этом увеличивается .

Рис 5.5. ВАХ МДП транзистора с индуцированным каналом

В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа, структура которого приведена на рис.5.4., уже при отсутствии внешних напряжений имеется канал, соединяющий области истока и стока. Поэтому при и протекает ток стока. При увеличении положительного напряжения на затворе область канала обогащается электронами и ток стока возрастает.

15. Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом.

Рис. 5.6 МДП транзистор со встроенным каналом.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе канал обедняется, (режим обеднения) и ток стока уменьшается. На рис. 2.28. показаны статические характеристики транзистора со встроенным каналом.

Рис 5.7. Статические характеристики МДП транзистора со встроенным каналом.

Полевые транзисторы включаются по схемам с общим затвором (ОЗ) (рис. 5.8 а), общим истоком (ОИ) (рис.5.8а, б), общим стоком (ОС) (рис. 5.8, в). Наиболее часто используется схема включения с ОИ.

Рис 5.8. схемы включения полевых транзисторов

15. Параметры и температурные свойства полевых транзисторов

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

Основными причинами изменения тока стока полевых транзисторов являются температурные зависимости подвижности носителей и контактной разности потенциалов в транзисторах с управляющим переходом, а также пороговое напряжение в МДП-транзисторах. Подвижность носителей заряда в канале уменьшается с ростом температуры, что приводит к уменьшению тока стока, а пороговое напряжение, уменьшаясь с ростом температуры, приводит к увеличению тока стока. Кроме этого, уменьшается и контактная разность потенциалов, что приводит также к увеличению тока стока. Таким образом, эти факторы оказывают на ток стока противоположное действие и могут скомпенсировать друг друга. Изменение тока стока с изменением температуры можно охарактеризовать температурным коэффициентом тока:

. (4.12)

Рис. 4.12

Температурная зависимость передаточных характеристик показана на (рис. 4.12). Из характеристик видно, что в полевых транзисторах существует термостабильная точка, в которой ток стока не зависит от температуры. Величину тока стока в этой точке можно приближенно определить так:

. (4.13)

Ориентировочное положение термостабильной точки можно найти по формуле

. (4.14)

Отмеченное свойство является большим преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными и позволяет создавать целый ряд электронных устройств с повышенной температурной стабильностью.

Дифференциальные параметры полевых транзисторов

Ток стока и ток затвора в полевых транзисторах зависят от напряжений на затворе и на стоке:

; . (4.15)

Запишем выражения полных дифференциалов токов:

; (4.16)

. (4.17)

Частные производные, имеющие размерности проводимостей, принимают в качестве Y-параметров.

В режиме короткого замыкания по переменному току на входе и выходе их можно записать:

при − проводимость прямой передачи или крутизна сток-затворной характеристики.

Она характеризует управляющее действие затвора и численно равна величине изменения тока стока при изменении напряжения затвора на 1В.

Из выражения передаточной характеристики (4.9) получим

, (4.18)

т.е. крутизна обратно пропорциональна сопротивлению канала.

Учитывая, что , следует, что для получения высокой крутизны необходимо использовать короткий и широкий канал. При прочих равных условиях крутизна в n-полевых транзисторах выше, чем в p-канальных из-за большей подвижности электронов.

при − выходная проводимость транзистора. Вместо выходной проводимости на практике часто используется обратная величина , называемая дифференциальным (внутренним) сопротивлением транзистора. Наименьшее значение соответствует крутым участкам выходных характеристик. На пологих участках сопротивление возрастает, что обусловлено эффектом модуляции длины канала. Оно составляет десятки и сотни килоом.

при − входная проводимость, или обратная величина . Ток затвора – обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n-переход, мал (порядка 10^-9 А), поэтому входное сопротивление очень высокое (порядка нескольких мегаом); мала также и входная емкость.

при − проводимость обратной передачи.

Так как , .

Для оценки усилительных свойств полевого транзистора вводится коэффициент усиления по напряжению, учитывающий относительное влияние напряжения стока и затвора на ток стока:

при . (4.19)

П о найденным значениям и можно определить коэффициент усиления:

. (4.20)

Величина достигает нескольких сотен.

На рис. 4.13 показан пример определения дифференциальных параметров по выходным характеристикам.

В общем случае все Y-параметры являются комплексными.

На низких частотах, когда влиянием реактивных элементов можно пренебречь, Y-параметры становятся вещественными величинами. Заменяя дифференциальные приращения их конечно разностными величинами, можно определить указанные параметры в заданной точке на характеристике:

; (4.21)

. (4.22)

15. Работа ПТ в усилительном режиме. Схемы усилителей

Работа полевого транзистора в режиме усиления

При использовании полевого транзистора в режиме усиления, он может быть включен по схеме с ОИ, ОС, ОЗ.

Рассмотрим работу усилительного каскада на полевом транзисторе в схеме с ОИ (рис. 4.15).

t

Рис. 4.15 Рис. 4.16

Т ак же как в усилителе, на БТ во входной цепи включается источник переменного сигнала . Положение рабочей точки А обеспечивается напряжением смещения. Для обеспечения смещения в цепь затвора включается сопротивление _. В цепь стока включается нагрузка . Построение нагрузочных характеристик и выбор рабочей точки аналогичны, как и в случае биполярного транзистора (рис. 4.16). Диаграммы, иллюстрирующие процесс усиления, приведены на (рис. 4.17).

Когда , напряжение на стоке . При подаче на вход синусоидального сигнала напряжение на затворе будет . В результате будут изменяться ток стока и напря-жение на стоке .

Основные параметры режима усиления:

- рабочая крутизна:

; (4.24)

- коэффициент усиления по напряжению:

; (4.25)

- выходная мощность:

. (4.26)

Вычисление рабочих параметров с помощью нагрузочных характеристик иллюстрируется на рис. 4.17.

Определив амплитуды тока и напряжений, запишем:

. (4.27)

. (4.28)

. (4.29)

Рабочие параметры ПТ можно выразить через статические , , параметры. Продифференцируем выражение тока стока :

. (4.30)

; . Подставляя в выражение (4.30), получим:

, или

; .

Отсюда:

, (4.31)

, (4.32)

. (4.33)

Максимальная амплитуда напряжения затвора должна быть меньше напряжения отсечки с целью уменьшения искажений:

, тогда . (4.34)

Отсюда следует, что для получения высокой выходной мощности необходимо иметь транзистор с высокой крутизной и большим напряжением отсечки.

Полевые транзисторы широко используют и в импульсном (ключевом) режиме. Анализ показывает, что для повышения быстродействия ключа необходимо увеличивать удельную крутизну транзистора (за счет уменьшения длины канала), снижать пороговое напряжение и выходную емкость. В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, благодаря внедрению микроэлектроники. МДП-транзисторы широко используются в кремниевых интегральных схемах, особенно в сверхбольших интегральных схемах (СБИС), микропроцессорах, микроЭВМ, электронных калькуляторах, запоминающих устройствах большой информационной емкости, в электронных часах, а также в медицинской электронике и др.

Мощные МДП-транзисторы применяют в переключающих схемах. Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на GaAs используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных схем и в СВЧ-устройствах.

Транзисторы с управляющим переходом на кремнии используют в основном как низкочастотные дискретные приборы.

19. Классификация оптоэлектронных полупроводниковых приборов

Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Приборы оптоэлектроники:

Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin, лавинный), фототранзисторы, фототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания, электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).

Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.

Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы — интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

20. Электролюминесценция. Основные типы полупроводниковых излучателей: некогерентные и когерентные полупроводниковые излучатели.

Электролюминесценция — люминесценция, возбуждаемая электрическим полем.

Наблюдается в веществах- полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.