Если Iэ=0, то выходная характеристика представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного перехода. При Iэ>0 ток в коллекторной цепи будет протекать даже при отсутствии источника коллекторного питанияE2=0за счет экстракции инжектированных в базу носителей полем коллекторного перехода. При увеличении напряжения Uкб коллекторный ток практически не меняется, т. к. количество инжектированных в базу носителей не меняется , а возрастает только скорость их перемещения через коллекторный переход. Чем больше уровень тока Iэ, тем больше и коллекторный ток  Iк

При изменении полярности Uкбна противоположную, меняется и включение коллекторного перехода с обратного на прямое. Поэтому ток Iк  вначале очень быстро снижается до нуля, а затем изменяет свое направление на противоположное.

1. Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимость

.

Вид этих характеристик показан на рис. 3.10.

При Uкэ=0 эта характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. При этом коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении на напряжение источника Е1 (рис. 3.11, а).

Рис. 3.11. Выходные характеристики схемы с общим эмиттером

При включении источника E2(Uкэ<0) характеристика пойдет несколько ниже предыдущей, т. к. в случае Uбэ=0 (рис. 3.11, б) источник E1 отсутствует и через коллекторный переход протекает маленький обратный ток Iко под действием источника E2, направление которого в базе противоположно тому, когда включен источник E1.

При включении E1(Uбэ>0) этот ток будет уменьшаться, т. к. в цепи его протекания E1 и E2 будут включены встречно, а затем он перейдет через ноль и будет возрастать в положительном направлении под действием E1. Однако в справочной литературе этим малым значением тока пренебрегают, и входные характеристики представляют исходящими из начала координат.

2. Выходные статические характеристики (рис. 3.12) представляют собой зависимости

.

Рис. 3.12. Выходные характеристики схемы с общим эмиттером

При Iб=0 эта характеристика представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного перехода. При Iб >0характеристики имеют большую крутизну в области малых значений Uкэ, т. к. при условии E2<E1 (рис. 3.12), коллекторный переход включен в прямом направлении; поэтому сопротивление его незначительно и достаточно небольшого изменения напряжения на нем, чтобы ток Iк изменился значительно. Более того, при Uкэ=0 (рис. 3.12) все характеристики кроме начальной Iб=0 исходят не из начала координат, а ниже (рис. 3.13), так как ток коллекторного перехода в этом случае является прямым и имеет направление противоположное по отношению к обычному току коллектора.

Рис. 3.13. Особенность выходных характеристик схемы с общим эмиттером

Но этим маленьким смещением характеристик пренебрегают и в справочниках представлены характеристики, исходящие из начала координат. При больших значениях Uкэ характеристики идут значительно положе, так как практически все носители, инжектированные из эмиттера в базу, принимают участие в образовании коллекторного тока и дальнейшее увеличение Uкэ не приводит к пропорциональному росту тока  . Однако небольшой наклон характеристики все же имеется, так как с увеличением Uкэ увеличивается ширина коллекторного перехода, а ширина базовой области, с учетом ее и без того малой величины, уменьшается. Это приводит к уменьшению числа рекомбинаций инжектированных в базу носителей и, следовательно, к увеличению количества носителей, переброшенных в область коллектора. Кроме того, по этой же причине несколько снижается базовый ток , а поскольку характеристики снимаются при условии Iб=const, то при этом необходимо несколько увеличивать напряжение Uкэ, что приводит к некоторому возрастанию тока эмиттера  и, следовательно, тока коллектора . Еще одной причиной некоторого роста   является то, что с увеличением Uкэ возрастает и та его часть, которая приложена к эмиттерному переходу в прямом направлении. Это тоже приводит к некоторому увеличению тока эмиттера  и, следовательно, тока коллектора .

Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, аналогичны характеристикам транзистора с общим эмиттером.

Две оставшиеся статические характеристики – характеристика обратной связи по напряжению (3.24) и характеристика передачи по току (3.25) могут быть построены для всех схем включения транзистора из его входных и выходных характеристик.

4.5) Н-параметры и физические параметры транзисторов.

Cистема h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U₂ = 0) и режим холостого хода на входе (I₁ = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I₁ и напряжение U₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I₂ и напряжение U₁, при этом система, описывающая связь входных I₁, U₂ и выходных I₂, U₁ параметров, выглядит следующим образом:

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

  - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

  - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

 - коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

  - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника: а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

1. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока:;  .

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы – десятки .

3. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы наноампер – десятки миллиампер) ; .

4. Объемное сопротивление базы   (десятки – сотни Ом).

5. Выходная проводимость   или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (доли – сотни мкСм); .

6. Максимально допустимый ток коллектора   (сотни миллиампер – десятки ампер).

7. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер   (десятые доли – один вольт).

8. Наибольшая мощность рассеяния коллектором   (милливатт - десятки ватт).

9. Ёмкость коллекторного перехода   (единицы – десятки пикофарад).

Определение h- параметров транзистора по статистическим ВАХ в схеме включения с ОЭ.

Определить h-параметры можно из семейства статистических ВАХ, используя графический метод.

Выходная х-ка для схемы с OЭ.

Методика определения:

1. Определяем точку О.

   

2. Около точки О строится треугольник ОАВ и ОА’ B’ с равными промежутками.

Проводят вертикальную линию Д-Д’

Другие 2 параметра находят по семейству входных характеристик

Около точки О строим 2 треугольника.

Из каждого треугольника находим параметры:

Затем находим их среднее значения (для 1-го треугольника и для 2-го треугольника).

Находят r и g- параметры по характеристикам.

4.6) Работа транзистора на нагрузку.

В ряде случаев нагрузочная цепь имеет различное сопротив­ление на постоянном и переменном токах. Если активное сопро­тивление нагрузки для переменного тока Rn < RK, то нагрузоч­ная прямая для переменного тока проходит через ту же рабочую точку О под углом i|/ = arctg Ra, причем ij/ < г|? (пунктир на рис. 4-23, б). Нагрузочная прямая для переменного тока строится следующим образом. Влево от точки О проводится прямая, парал­лельная оси UK3, и на ней откладывается отрезок OD, равный амплитуде переменной составляющей напряжения UK3. Из точки D восстанавливается перпендикуляр, на котором откладывается отрезок DB', равный величине тока /к = UK3/RH. Прямая, соединяющая точки В' и О, представляет собой нагрузочную пря­мую для переменного тока. В случае комплексной нагрузки в цепи коллектора появляется угол сдвига фаз между переменными составляющими тока коллектора и напряжением на коллекторе, при этом линия нагрузки имеет вид эллипса. (При расчетах эллипс обычно заменяют нагрузочной прямой, проходящей через боль­шую ось эллипса). Используя нагрузочную прямую, можно по­строить характеристики транзистора с нагрузкой.

Входная характеристика транзистора с нагрузкой в схеме с ОЭ (рис. 4-23, а) связывает входное напряжение U6g с входным током /б при неизменных э. д. с. источника питания и сопротив­лении нагрузки. Перенося значения /б, UK3 в точках пересе­чения нагрузочной прямой со статическими выходными харак­теристиками на семейство входных статических характеристик и соединяя эти точки плавной кривой, получаем входную харак­теристику транзистора с нагрузкой. В справочнике обычно при­водятся всего две статические входные характеристики, снятые при икэ — 0 и UK3 -ф 0. Построение можно начать с какой-либо точки G, имеющей координаты Ј/кэ g и 1к а- Эта точка перено­сится на входную характеристику, снятую при UK3 ф0 (точка

1 с координатами 1^ и Uq31). Аналогично переносятся остальные точки характеристики.

Для сплавных транзисторов статическая характеристика, сня­тая при UK3 Ф О и t°n = const, обычно соответствует всем значе­ниям ( UK3 | > 0,5 -т- 5 в и входная характеристика транзистора с нагрузкой при RH — const практически сливается с ней. На полученной входной характеристике транзистора с нагрузкой выбирается рабочий участок (исключая Umwp).

4.7) Квазистатический режим работы транзистора.

Определение усилительных параметров через r и h-параметра четырёхполюсника.

4.8) Типы биполярных транзисторов.

Транзистор - полупроводниковый прибор, способный усиливать электрические сигналы. По принципу действия транзисторы разделяются на два вида: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Обычно биполярные транзисторы называют просто транзисторами.

Физически биполярный транзистор состоит из двух PN-переходов (диодов), конструктивно выполненных на одном кристалле полупроводника и имеющих одну общую точку. Если диоды соединены анодами, то такой транзистор называется N-P-N типа, если катодами - то типа P-N-P (рис. 2.4.1а).

Условные графические обозначения транзисторов типов N-P-N и P-N-P приведены на рис. 2.4.1б. Общая точка диодов называется базой транзистора, а два остальных вывода транзистора принципиально одинаковы, но конструктивно выполнены по-разному: один из них называется эмиттером, а второй - коллектором. В условном графическом обозначении транзистора эмиттер всегда обозначается стрелкой, а направление стрелки обозначает тип транзистора: N-P-N или P-N-P.

Так как транзистор состоит из двух PN-переходов (диодов), которые называются переход база-эмиттер и переход база-коллектор, то к этим переходам применимо все, что относится к диодам: параметры, свойства и режимы работы. Кроме того, транзистор имеет специфические свойства, отличающие его от простого соединения двух диодов. А именно, главное свойство транзистора - способность усиливать электрический ток: если через переход база-эмиттер протекает небольшой ток (ток базы), то через участок коллектор-эмиттер может при этом протекать гораздо больший ток (ток коллектора). Причем, при изменении величины тока базы пропорционально изменяется ток коллектора.

Принцип действия транзистора типа N-P-N рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. 2.4.2.

Конструкции и технологии производства.

мого в качестве запоминающего элемента, является МДП-транзистор. Запоминающей средой является элемент конструкции транзистора, где хранится информация в виде заряда. В зависимости от вида запоминающей среды в транзисторе РПЗУ подразделяют на два класса: РПЗУ на приборах с захватом и РПЗУ на транзисторах с плавающим затвором.  пульса прямого базового тока, называется временем рассасывания /р. Время рассасывания зависит от конструкции транзистора, материала и значения тока /б. После окончания процесса рассасывания транзистор переходит в режим отсечки в течение времени /с ( 3.29, б). Таким образом, при прохождении импульса тока через транзистор изменяется не только форма импульса, но и его длительность.  Для упрощения анализа электронных схем на транзисторах используют эквивалентные схемы (модели) формальные и физические, приближенно описывающие транзистор. Формальная эквивалентная схема представляет собой четырехполюсник с "неизвестной" внутренней структурой, характеризуемый четырьмя параметрами. В физической эквивалентной схеме каждый элемент соответствует элементу конструкции транзистора или физическому процессу в нем.  Основные параметры, характеризующие усилительные свойства транзистора, зависят от частоты вследствие конечного значения времени пролета носителей заряда через базу и область объемного заряда коллекторного перехода, а также вследствие влияния емкостей эмиттера и коллектора. В зависимости от конструкции транзистора, физических параметров его областей и режима работы частотные свойства определяются в основном одним или несколькими из перечисленных факторов.  ная барьерная емкость Со. Кроме того, при проектировании таких конденсаторов требуется совместно вычислять удельную емкость и пробивное напряжение, так как каждая из этих величин зависит от удельного сопротивления материала, причем с ростом последнего емкость уменьшается, а пробивное напряжение повышается. Это обстоятельство, идеальное с точки зрения требований, предъявляемых к конструкции транзистора, является неблагоприятным при проектировании интегрального конденсатора, так как для него обычно нужно обеспечивать высокие значения пробивного напряжения и удельной барьерной емкости. Требуемое значение пробивного напряжения определяет тип перехода (коллектор — подложка, база — коллектор, эмиттер — база), который может быть использован для получения конденсатора, а выбранный тип перехода в свою очередь определяет необходимую площадь подложки для получения заданного номинального значения емкости.  где Рп.т — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого транзистор изготовлен.  Недостаток конструкции транзистора Шоттки заключается в концентрации электрического поля в контактном окне на стыке металла и пассивирующего окисла ( 2.20, а). Концентрация поля снижает предельные обратные напряжения. Для создания равномерного поля в контактном окне применяется расширенный металлический контакт над поверхностью окисла ( 2.20, б) или создается специальное охранное кольцо ( 2.20, в).  Выходное сопротивление формирователя тока на полевом транзисторе определяется эффектом модуляции длины канала при изменении напряжения L/си- При фиксированном напряжении L/зи (что соответствует режиму короткого замыкания входной цепи, т. е. при R 0) выходное сопротивление формирователя /•„„ равно сопротивлению сток—исток в открытом состоянии полевого транзистора: гт -•-"Ясно™ ;"-" U А/1с, где U А—параметр, аналогичный напряжению Эрли для биполярных транзисторов. Для интегральных полевых транзисторов UА г~- 20...200 В в зависимости от напряжения t/си и конструкции транзистора.  При испытании транзисторов нашел применение м е-тод определения резонансных частот по-виброшумам. Метод основан на эффекте модуляции; шума транзистора частотой вибрации. Появление моДу-лиро«анного сигнала объясняется возникновением продольных или поперечных переменных напряжений в полупроводниковом: кристалле в результате давления вибрирующего элемента конструкции транзистора на кристалл. Частота вибрации, на которой модуляция шума максимальна, совпадает с частотой механического* резонанса какого-либо элемента конструкции транзистора. Структурная схема установки для определения резонансных частот транзисторов по виброшумам показана на 5.18. Частота вибрации, на которой переменное напряжение достигает максимального значения, фиксируется как резонансная.  этом сопротивлении падения напряжения, которые прикладываются к переходам транзистора, создавая обратные связи. Кроме того, и само сопротивление базы определяет значение постоянных времени заряда барьерных емкостей переходов. Поэтому для определения роли сопротивления базы и его места в эквивалентной схеме транзистора рассмотрим распределение токов в базе. Характер такого распределения в значительной степени зависит от конструкции транзистора ( 4.29).  Переменные составляющие токов, проходя через сопротивление базы, вызывают появление переменных напряжений, которые также приводят к появлению обратных связей в транзисторе. Такие обратные связи образуются по-разному в зависимости от конструкции транзистора. Так, в конструкции, представленной на 4.29, а, к эмиттерному переходу прикладывается падение напряжения, вызванное всем током заряда барьерной емкости коллектора. При другой конструкции ( 4.29, б) только ток, идущий от части коллектора, примыкающей к активной и пассивной частям базы, создает падение напряжения, которое влияет на разность потенциалов между эмиттером и базой. Ток, идущий через периферическую часть базы, такой обратной связи не создает. 7.14. Специальные Конструкции транзисторов с управляющим р— п-пере-  Наиболее пригодной для микромощных ИМС является одно-полосковая конструкция транзистора, показанная на 2.17, а. Для двухбазовой полосковой конструкции ( 2.17, 6, в) характерно низкое сопротивление базовой области и повышенный по сравнению с предыдущей конструкцией коэффициент передачи тока. При необходимости получения малого сопротивления тела коллектора применяют конструкции транзисторов с увеличенными контактными областями к коллекторам ( 2.17, б—д).  Полупроводниковые ЗУ создаются на базе МДП и биполярных структур. В элементной базе ЗУ широко применяются новые разработки и конструкции полупроводниковых элементов: МОП-транзисторы, МНОП-транзисторы с двойным диэлектриком (окисел-нитрид кремния), МОП-транзисторы с плавающим затвором, приборы с зарядовой связью (ПЗС), биполярные структуры с инжек-ционным питанием, различные конструкции транзисторов уменьшенной площади и т.д. Используемые элементы и схемотехнические варианты полупроводниковых ЗУ показаны на 4.27.  С помощью этого метода можно выявлять резонансные частоты внутренних элементов конструкции транзисторов без предварительного вскрытия исследуемых'при-боров, что в совокупности с возможностью записи амплитудно-частотной характеристики резонирующего-элемента определяет его преимущество перед ранее рассмотренными методами.  Конструкция корпусов высокочастотных маломощных транзисторов мало отличается от конструкции транзисторов низкой частоты. Для их герметизации также -используются металлостек-лянные корпуса. Отличие заключается в креплении транзистора  Основные закономерности физических процессов, протекающих в биполярном транзисторе, можно описать в рамках регионального приближения теории транзистора, когда его полупроводниковая структура разбивается на ряд характерных областей: области пространственного заряда (ОПЗ) и квазиэлектронейтральные области эмиттера, базы и коллектора, в которых выполняется условие Дге^Др. Многие физические процессы можно качественно и количественно правильно описать, использовав одномерное приближение, когда учитывается движение потоков носителей заряда только в направлении оси х, перпендикулярной плоскостям р-п переходов. Использование одномерного приближения для анализа физических процессов в биполярном транзисторе требует обоснования. Рассмотрим две реальные конструкции транзисторов, представленные на 2.4. Транзистор на 2.4, а изготовлен по сплавной технологии и имеет однородно легированные области эмиттера, базы и коллектора. В транзисторе на 2.4,6 база может быть создана эпитаксией или диффузией акцепторной примеси. Особенностью любой технологии является то, что топологические размеры эмиттера в плане (его диаметр указан на 2.4, а, его ширина ?э, а также длина гэ —на 2.4, б) оказываются по крайней мере на порядок больше толщины базы w. В табл. 2. Г даны типичные соотношения гео-  С помощью этого соотношения можно выбрать минимальную ширину полоски эмиттера 1Э, поэтому оно широко используется при проектировании транзисторов. В заключение необходимо отметить, что в транзисторах с большой длиной эмиттера г возможна неравномерная инжекция вдоль этого направления. Для ее ослабления эмиттер разбивают на ряд полос, или, как их называют, пальцев, длиной гэ, как показано на 2.20. Падение напряжения в металлизации пальца гребенчатой конструкции не должно превышать долей q>r. Возможны и более сложные конструкции транзисторов, преследующие ту же цель — обеспечение практически равномерной инжекции тока по площади эмиттера.  И КОНСТРУКЦИИ ТРАНЗИСТОРОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ  Конструкция корпусов высокочастотных маломощных транзисторов мало отличается от конструкции транзисторов низкой частоты. Для их герметизации также -используются металлостек-лянные корпуса. Отличие заключается в креплении транзистора  Исследования показали, что для создания микромощных логических ИМС нужны специальные транзисторы, конструкция которых отличается от конструкции транзисторов средней мощности. Для микромощных транзисторов характерны:  Существуют также конструкции транзисторов типа МДМП (металл — диэлектрик — металл — полупроводник), в которых ин-жекция горячих электронов в металлическую базу осуществляется путем их туннелирования из металлического электрода через тонкий слой диэлектрика.  Известны различные конструкции транзисторов с высокой подвижностью электронов. Общее представление о структуре ВПЭТ с одним гетеропереходом дает 6.9, а. А на 6.9, в показана структура ВПЭТ, в которой GaAs и Alo,3Gao,7As как бы поменялись местами по отношению к подложке. Исток, сток и затворный электрод формируются на поверхности GaAs, что позволяет использовать обычную технологию изготовления GaAs — элементов при формировании данной структуры и является известным преимуществом. Одной из проблем транзисторов с высокой подвижностью электронов является невозможность значительного повышения числа электронов проводимости в канале. Из рассмотренного выше принципа повышения подвижности электронов ясно, что число электронов проводимости в канале определяется числом доноров

5. Полевые транзисторы.

5.1) классификация и система обозначений полевых и полупроводниковых приборов. Система обозначений полевых транзисторов.

МДП-структура с индуцированным каналом и МДП-транзисторы. ВАХ МДП-транзисторов.

Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, схема которого приведена на рисунке.

  Схема МДП-транзистора.

Координата z направлена вглубь полупроводника, y - вдоль по длине канала и x - по ширине канала. Получим вольтамперную характеристику (ВАХ) такого транзистора при следующих предположениях:

1) Токи через p-n переходы истока и стока и подзатворный диэлектрик равны нулю.

2) Подвижность электронов (постоянна по глубине и длине инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе и на стоке.

3) Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля существенно больше тангенциальной.

Ток в канале МОП-транзистора, изготовленного на подложке p-типа, обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле обусловлено напряжением между истоком и стоком. Согласно закону Ома плотность тока канала:

 , (1)

где q - заряд электрона,  _n - подвижность электронов в канале, V - падение напряжения от истока до точки с координатами (x,y,z).

Проинтегрируем (1) по ширине (х) и глубине (z) канала. Тогда интеграл в левой части (1) дает нам полный ток канала I_DS, а для правой части получим:   . (2)

Величина   есть полный заряд электронов в канале на единицу

площади Q_n. Тогда   . (3)

Найдем величину заряда электронов Q_n. Для этого запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МОП-транзисторе на единицу площади в виде

 . (4)

Согласно (4) заряд на металлическом электроде Q_M уравновешивается суммой зарядов свободных электронов и ионизованных акцепторов в полупроводнике и встроенного заряда в окисле. Из определения геометрической емкости окисла C_ox следует, что полный заряд на металлической обкладке МОП-конденсатора Q_M

 , (5)

где Vox - падение напряжения на окисном слое, Cox - удельная емкость подзатворного диэлектрика.

Поскольку падение напяжения в окисле равно V_ox, в полупроводнике равно поверхностному потенциалу  _s, а полное приложенное напряжение к затвору V_GS, то:

 , (6)

где   _ms- разность работ выхода металл-полупроводник,  _s0 - величина поверхност-ного потенциала в равновесных условиях, то есть при напряжении стока V_DS =0.

Из (4), (5) и (6) следует

 . (7)

Поскольку в области сильной инверсии при значительном изменении напряжения на затворе V_GS величина поверхностного потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии  _s0=2 ₀. Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов Q_B не зависит от поверхностного потенциала. Введем пороговое напряжение V_T как напряжение на затворе, соответствующее открытию канала в равновесных условиях V_T=V_GS(_s0=2 ₀, V_DS=0). При этом Q_n(V_DS=0)=0. Из (7) следует, что:

 . (8)

Тогда (7) с учетом (8)

 . (9)

Подставляя (9) в (3), разделяя переменные и проведя интегрирование вдоль канала при изменении y от 0 до L, а V(y) от 0 до V_DS, получаем:

 . (10)

Уравнение (10) описывает вольтамперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала.

5.2) Основные параметры полевых транзисторов.

1. Крутизна характеристики:

Где числитель   – приращение тока стока; знаменатль – приращение напряжения на затворе.

Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Этот параметр определяют по управляющим характеристикам.

2. Внутреннее (выходное) сопротивление :

где числитель – приращение напряжения стока; знаменатель – приращение тока стока.

Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока. На пологих участках выходных характеристик Ri достигает сотен кОм и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора по постоянному току Ro.

3. Коэффициент усиления :

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока, т. е. выражается отношением таких изменений числитель и знаменатель, которые компенсируют друг друга в результате чего ток остается постоянным. Для подобной компенсации числитель и знаменатель должны иметь разные знаки, что определяет наличие знака «–» в правой части выражения (4.5).

Эти три параметра (1 2, 3) связаны между собой зависимостью:

4. Входное сопротивление :

где числитель – приращение напряжения на затворе; знаменатль – приращение тока стока;

Поскольку током затвора является обратный ток p-n-перехода, который очень мал, то входное сопротивление оказывается очень большим, что является основным достоинством полевого транзистора.

5. Входная емкость между затвором и истоком Сзи, которая является барьерной емкостью p-n-перехода и может составлять единицы – десятки пФ в зависимости от способа изготовления полевого транзистора.

Типовые значения параметров кремниевых полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом :  ;  ;  ; .

Еще одним важным достоинством полевого транзистора является гораздо меньшая температурная зависимость по сравнению с биполярными транзисторами. Это связано с тем, что в полевом транзисторе ток Ic вызван перемещением основных носителей, концентрация которых в основном определяется количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры. Полевой транзистор обладает более высокой стойкостью к действию ионизирующего излучения. Недостатком полевых транзисторов является недостаточно высокая крутизна S, что несколько ограничивает область их применения.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (ПТУП).

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

Принцип действия такого полевого транзистора рассмотрим на примере рис. 4.2. Он представляет собой монокристалл полупроводника n-типа проводимости; по его торцам методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области противоположного типа проводимости и тоже с электрическими выводами от этих областей. Тогда на границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет р-n-переход. электрические выводы от торцевых поверхностей полупроводника называют истоком (И) и стоком (С), а вывод от боковой поверхности противоположного типа проводимости назовем затвором (З).

Рис. 4.2. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Подключим внешние источники   и   так, чтобы источник   – источник входного сигнала смещал р-n-переход в обратном направлении, а в цепь источника   введем сопротивление нагрузки  . Под действием напряжения этого источника между торцевыми поверхностями полупроводника потечет ток основных носителей заряда. Образуется так называемый токопроводящий канал. Площадь поперечного сечения этого канала, а, следовательно, и его сопротивление зависит от ширины p-n-перехода. Изменяя величину напряжения источника  , меняем обратное напряжение на p-n-переходе, а, значит, и его ширину. При увеличении этого напряжения ширина p-n-перехода возрастает, а поперечное сечение канала между истоком и стоком уменьшается. Можно подобрать такую величину напряжения на затворе, при котором p-n-переход полностью перекроет канал, и ток в цепи нагрузки прекратится. Это напряжение называют напряжением отсечки. Таким образом, в цепи мощного источника   протекает ток стока  , величина которого зависит от величины управляющего сигнала – напряжения источника   и повторяет все изменения этого сигнала. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки при протекании тока   является выходным сигналом, мощность которого значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Принципиальным отличием полевого транзистора от биполярного является то, что источник входного сигнала подключен к p-n-переходу в обратном, запирающем направлении и, следовательно, входное сопротивление здесь очень большое, а потребляемый от источника входного сигнала ток очень маленький. В биполярном транзисторе управление осуществляется входным током, а в полевом транзисторе – входным напряжением. Следует отметить, что поскольку потенциал от истока к стоку возрастает, то соответственно возрастает и обратное напряжение на p-n-переходе, а, следовательно, и его ширина. Так же, как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут быть разных типов: в рассматриваемом случае – полевой транзистор с каналом n-типа проводимости и на принципиальных схемах он обозначается символом, представленным на рис. 4.3, а.

Рис. 4.3. Условные обозначения полевого транзистора, имеющего канал n-типа (а) и p-типа (б)

Если канал имеет проводимость р-типа, то его обозначение такое же, но стрелка затвора направлена в противоположную сторону (рис. 4.3, б).

Если полевой транзистор усиливает сигнал переменного тока, то в цепь затвора необходимо вводить смещение в виде источника ЭДС достаточной величины, чтобы суммарное напряжение на p-n-переходе не изменяло свой знак на положительный, так как p-n-переход в таком полевом транзисторе должен быть всегда смещен в обратном направлении. Тогда электрическое поле p-n-перехода, поперечное по отношению к каналу, будет изменятся в точном соответствии с изменением входного сигнала, расширяя и сужая канал. В цепи стока появляется переменная составляющая тока, которая и будет представлять собой усиленный входной сигнал.

Структура ПТУП и основные особенности.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

Сравнение МДП и биполярных транзисторов.

6) Переключающие приборы .Тиристоры.

6.1) Основные особенности конструкции и классификации тиристоров.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою —катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором^[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

[Править]Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

• Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

• В точке 1 происходит включение тиристора.

• Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

• Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

• В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.

• Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

• Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Динисторы. ВАХ динистора, внутренняя положительная обратная связь в p-n-p структурах . Статические параметры динисторов.

6.2) Тринистор –управляемый динистор. Вах тринистора , зависимость параметров от тока управления . Симисторы ,конструкция и вах.

Симиcтop (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC — triode for alternating current) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемыйвыключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тринистора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки происходит вблизи моментов времени, когда напряжение на основных электродах симистора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

Симистор имеет пятислойную структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы (см. рис.) из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

7) Компоненты оптоэлектроники .

7.1) Механизм генерации излучения в полупроводниках .

В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой. Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс, процессрекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов no и дырок po, которые равны друг другу в собственном полупроводнике (равновесная концентрация электронов n_i = равновесной концентрации дырок p_i) . (Индекс i происходит от англ. intrinsic — собственный).

В собственных полупроводниках наблюдается электронно-дырочный механизм проводимости.

Электрофизические свойства примесного полупроводника определяются в первую очередь типом и концентрацией примеси, которая создает дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Роль дискретных уровней могут играть и всевозможные дефекты структуры, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы. Примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость (проводимость n -типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Основные носители заряда в таких полупроводниках — дырки. В них наблюдается дырочная проводимость (проводимость p -типа).

В полупроводниках всегда присутствуют оба типа носителей заряда. Основными называют носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, неосновными — носители заряда, концентрация которых меньше. В полупроводнике n - типа основные носители заряда — электроны, неосновные — дырки, в полупроводнике p-типа дырки — основные, а электроны — неосновные.

Если в полупроводнике n - типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. При помощи соотношения:

n_o^.p_o = n²_i

называемого соотношением действующих масс для носителей заряда всегда можно, найти концентрацию неосновных носителей заряда, если известна концентрация основных. Характерная особенность полупроводников — рост электропроводности с увеличением температуры — обусловлена ростом концентрации носителей при увеличении температуры.

Некогерентные излучатели –излучающие диоды.