І. Перелічте, від яких факторів залежать значення параметрів біполярних транзисторів.

2. Що таке еквівалентна схема транзистора? У якому розумінні вона еквівалентна реальному транзистору?

З. Чи може бути однозначно представлений транзистор у вигляді еквівалентної схеми?

4. Для чого при розрахунках радіоелектронних схем реальний транзистор замінюють його еквівалентною схемою?

5. При якому увімкненні транзистор має менший вхідний опір - за схемою СБ чи за схемою СЕ?

Транзистор при увімкненні СЕ має більший вхідний опір ніж при СБ.

6. Який позитивний результат дає застосування схеми складного транзистора?

Умовне позначення складеного транзистора.

Скла́дений транзи́стор (транзистор Дарлінгтона) — об'єднання двох чи більше біполярних транзисторів ^[1] з метою збільшення коефіцієнта підсилення за струмом ^[2]. Такий транзистор використовується у схемах, що працюють з великими струмами (наприклад, в схемах стабілізаторів напруги, вихідних каскадах підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпульс.

Складений транзистор має три виводи (база, емітер і колектор), які еквівалентні виводам звичайного одиночного транзистора. Коефіцієнт підсилення за струмом типового складеного транзистора (іноді помилково званого «супербета») ^[3], у потужних транзисторів (наприклад у КТ825) β ≈ 1000 та у малопотужних транзисторів (типу КТ3102 і т п.) β ≈ 50000. Це означає, що невеликого струму бази достатньо для того, щоб складений транзистор відкрився.

7. У яких випадках доцільно застосувати каскодне увімкнення транзисторів

Каскодний підсилювач на біполярних транзисторах

Каскодний підсилювач (скорочення від англ. CASCade to cathODE, що перекладається як «КАСКад через катОД») — підсилювач, який містить два активних елементи, перший з яких включений за схемою зі спільним емітером (витоком, катодом), а другий — за схемою зі спільною базою (затвором, сіткою).

Каскодний підсилювач має підвищену стабільність роботи в області високих частот завдяки малій вхідній ємності.

Назва схеми утворена від зрощування слів у словосполученні «КАСкад через катОД»^[1] — схеми, яка застосовувалась у вхідних блоках лампових телевізорів.

Принцип роботи

При включенні транзистора за схемою з спільним емітером, яка забезпечує підсилення напруги та струму вхідного сигналу, підсилений вихідний сигнал знімають з колектора. При цьому через паразитну ємність переходу колектор-база транзистора вихідний сигнал передається на базу, яка є входом схеми. В наслідок цього в такій схемі виникає від'ємний зворотний зв'язок, який стає тим сильнішим, чим вищою є частота вхідного сигналу, і, внаслідок дії ефекта Міллера, чим більм є коефіцієнт підсилення каскаду. В результаті, при збільшенні частоти вхідного сигналу та коефіцієнта підсилення каскаду підсилення транзистора в схемі зі спільним емітером істотно зменшується.

Запобігання цього ефекту може бути досягнуте двома шляхами:

• істотним зменшенням ємності переходу колектор-база; є технічно складною задачею;

• істотним зменшенням напруги вихідного сигналу на колекторі.

При включенні за каскодною схемою має місце наступне. Вхідний транзистор Т1 працює за схемою зі спільним емітером, але навантажується транзистором Т2 зі спільною базою. Відповідно до принципу роботи транзистора, напруга база-емітер відкритого транзистора є сталою (становить близько 0.6 Вольт для кремнієвого транзистора). Виходячи з того, що на базу транзистора Т2 подано незмінну напругу U0, напруга на емітері Т2 та колекторі Т1 також виявляється незмінною, а значить ємність переходу колектор-емітер не виявляє себе як елемент від'ємного зворотнього зв'язку. При цьому той самий ефект виникає на транзисторі Т2, але його база є заземленою через низький опір джерела U0 і тому зворотній зв'язок не виникає і на цьому транзисторі.

8. Яким способом можна прискорити рух неосновних носіїв у базі від емітера до колектора?

Збільшивши напругу

9. Що таке гранична частота транзистора, увімкненого за схемою СБ? Як вона позначається?

Неможливо, звичайно, точно вказати ту частоту, починаючи з якої транзистор втрачає свої підсилювальні властивості. Однак, можна умовно прийняти за неї таку частоту, для якої модуль   зменшується в порівнянні з  в разів. Ця частота має назву граничної частоти транзистора. Для розглянутого нами вище прикладу вона дорівнюватиме 1.25.10⁹с^-1 або 2.10⁸Гц. У довідниках цю частоту позначають як -

тобто як частоту, на якій параметр     - коефіцієнт передачі за струмом у схемі із спільною базою - зменшується в 0,71 разів (або на 3 дБ) порівняно з його значенням для низьких частот.

10. При якому увімкненні транзистор може успішно працювати до більш високих частот - за схемою СЕ чи за схемою СБ?

За схемою СБ

• Зі збільшенням частоти підсилювальні властивості транзистора погіршуються. Це відбувається в основному з двох причин.

• Перша причина полягає в інерційності дифузійного процесу, який обумовлює рух дірок через базу до колектора.

  а)	б)	в)
  Рис. 6.27. Розподіл концентрації дірок у базі при повільних та швидких змінах струму емітера а — діаграма струму емітера; б — розподіл концентрації дірок у базі для різних моментів часу; в — діаграма струму колектора.

• Як відомо, для направленої дифузії (переносу) часток необхідно створити таку їх концентрацію, яка зменшується в напрямку переносу (Рис. 6.27). Дірковий струм біля емітерного та колекторного переходів пропорційний градієнтові концентрації дірок у цих перетинах, тобто пропорційний кутові нахилу дотичної, проведеної до розподілу концентрації у відповідних крапках. На Рис. 6.27, б пунктирними лініями показані розподіли концентрацій дірок у сталому режимі для трьох різних значень струму емітера: , , . Зневажаючи електронною та рекомбінаційною складовими струму емітера та некерованим струмом колектора, можна стверджувати, що в сталому режимі , що є наслідком лінійного розподілу концентрації дірок у базі, при якому градієнти концентрації біля емітерного та колекторного переходів однакові. Струмам емітера , ,  у сталих режимах будуть відповідати струми колектора , , .

• Нехай у початковому стані транзистора . Швидка зміна струму емітера на  за  викличе збільшення градієнту концентрації дірок біля емітерного переходу, який буде відповідати струмові  (у крапці 4 у момент  градієнт концентрації дірок дорівнює градієнтові в крапці 3, Рис. 6.27 б), а градієнт концентрації дірок біля колекторного переходу збільшиться на меншу величину, оскільки за відносно короткий проміжок часу  база не встигне заповнитися необхідною кількістю дірок і в ній установиться нелінійний розподіл концентрації, показаний лінією, яка виходить із крапки 4.

• Наступне швидке зменшення струму емітера на  за  спричинить те, що градієнт концентрації дірок біля емітерного переходу буде відповідати  (у крапках 5 та 2 на Рис. 6.27, б градієнт однаковий), а градієнт концентрації дірок біля колекторного переходу буде більшим, ніж необхідно для , оскільки база за  не встигне цілком звільнитися від зайвої кількості дірок та в ній не встигне установитися лінійний розподіл концентрації, показаний пунктирною лінією, яка виходить із крапки 2.

• В проміжку часу між  та , коли струм емітера вже зменшується, градієнт концентрації дірок біля колекторного переходу досягне максимуму, але він буде меншим за той, який міг би бути в сталому режимі при . Отже, , звідки .

• На Рис. 6.27, б також показані розподіли концентрацій дірок у базі для моментів часу  та  (криві, що проходять через крапки 6 і 7). Міркуючи аналогічно, можна побудувати негативний півперіод змінної складової струму колектора.

• Зі сказаного випливає, що на високій частоті амплітуда  стає меншою за можливу амплітуду колекторного струму на нижчій частоті, що, при відносно повільних змінах приблизно рівний , тобто  зі збільшенням частоти зменшується. Крім того, змінні складові струмів колектора та емітера виявляються зсунутими за фазою на деякий кут ( відстає від ). Дані твердження стають очевидними, якщо діаграму струму емітера сумістити з діаграмою струму колектора (на Рис. 6.27, в струм емітера показаний лінією синього кольору).

• На Рис. 6.28 наведено залежність коефіцієнта прямої передачі за струмом транзистора з СБ від частоти.

• Частота, на якій цей коефіцієнт зменшується у  рази, називається граничною частотою та позначається .

  Рис. 6.28. Залежність коефіцієнта прямої передачі за струмом транзистора з СБ від частоти	Рис. 6.29. Залежність коефіцієнта прямої передачі за струмом транзистора з СЕ від частоти

• Гранична частота транзистора визначається коефіцієнтом дифузії інжектованих у базу носіїв та товщиною бази:

• .

• З формули  випливає, що незначне зменшення , спричиняє істотне зменшення .

• Нехай , тоді . На граничній частоті , на цій же частоті , що відповідає зменшенню  у  рази. Тому частотні властивості транзистора в схемі з СЕ гірші.

• На Рис. 6.29 наведено залежність коефіцієнта прямої передачі за струмом транзистора з СЕ від частоти.

• Частота, на якій коефіцієнт прямої передачі за струмом транзистора з СЕ зменшується в  рази, позначається  (Рис. 6.29). Ця частота приблизно у  разів менша, ніж .

• При розрахунку схем часто використовується як параметр частота , на якій модуль коефіцієнта прямої передачі за струмом транзистора з СЕ стає рівним одиниці (Рис. 6.28).

• Другою причиною, яка погіршує підсилювальні властивості транзизистора зі збільшенням частоти, є ємність колекторного переходу .

• На Рис. 6.30 показана найпростіша еквівалентна схема підсилювального каскаду на транзисторі з СБ для високих частот. На цій схемі видно, що ємністю  зашунтовано опір  (опорами  та  можна знехтувати, оскільки вони відносно великі). Умовно можна вважати, що шунтуюча дія ємності виявляється помітною, коли її опір стає меншим шунтованого, тобто .

• Якщо прийняти , то частотні властивості колекторного кола безпосередньо самого транзистора можуть бути оцінені за допомогою рівності

• , або  ,

  Рис. 6.30. Еквівалентна схема підсилювального каскаду на транзисторі з СБ для високих частот

• де  — кругова частота, починаючи з якої потрібно враховувати шунтуючу дію ;  — параметр транзистора, що носить назву постійної часу колекторного кола.

• Чим менша постійна часу ( ), тим більша , тобто тим вища гранична частота колекторного кола.

• У транзисторів з відносно широкою базою частотні властивості визначаються, в основному, інерційністю дифузійного процесу, тобто параметром  (або ).

• При зменшенні товщини бази частотні властивості транзистора покращуються. Однак ця міра ефективна лише до визначеної межі, оскільки зі зменшенням  збільшується опір , що, у свою чергу, веде до погіршення частотних властивостей транзистора. Тому частотні властивості високочастотних транзисторів визначаються не граничною частотою , а постійною часу колекторного кола .

• Варто відмітити, що на цих частотах транзистор ще може підсилювати та генерувати електричні коливання. Але існує деяка максимальна частота (або частота генерації), на якій максимально можливий коефіцієнт підсилення транзистора за потужністю стає рівним одиниці . На частотах, більших за , транзистор остаточно втрачає свою підсилювальну властивість. Ці частоти для всіх схем увімкнення транзистора однакові та визначається формулою

• .

11. Розшифруйте позначення транзисторів ГТ404Д, КТ340В, КТ8І6Б, КП307Ж.

У відповідності з діючим на даний час стандартом, транзисторам присвоюються позначення, які складаються з чотирьох елементів: перший елемент - літера або цифра, що вказують на матеріал, з якого виготовлений транзистор (Г або І - германій, К або 2 - кремній, А або 3 - арсенід галію); другий елемент - літера, яка позначає вид транзистора (Т - біполярний, транзистор; П - польовий); третій елемент - цифри, перша з яких визначає класифікаційний номер транзистора, а дві наступні (від 01 до 99)² - порядковий номер розробки в даному класі. Класифікація транзисторів ведеться за двома параметрами:

• граничній потужності , що розсіюється транзистором і яка забезпечує задану надійність при тривалій роботі, та

• граничній частоті при увімкненні за схемою СБ. Позначення класів наведені в табл.5.1.

Табл.5.1.

	Малої потужності 0.3 Вт.	Середньої потужності 0.3 - 1.5 Вт.	Великої потужності 1.5 Вт.
Низькочастотні < 3 МГц	101 - 199	401 - 499	701 - 799
Середньочастотні = 3-30 МГц	201 - 299	501 - 599	801 - 899
Високочастотні > 30 МГц	301 - 399	601 - 699	901 - 999

Четвертий елемент - літера, яка вказує різновид серед даного типу транзисторів. Вони можуть відрізнятися, скажімо, значеннями параметра , або будь-яких інших параметрів. Так, наприклад, ГТ605А розшифровується так: германійовий транзистор, середньої потужності, високочастотний, номер розробки 05, різновид А. Або КТ315А - кремнійовий, малої потужності, високочастотний, розробки 15 різновид А.

12. Яке позначення мав би германійовий біполярний транзистор з граничною частотою 8 МГц та граничною потужністю розсіювання 150 мВт?

Такий транзистор мав би позначатись ГТ2… або 1Т2…

Реально такі транзистори не випускаються. Випускались транзистори ГТ2308 болгарського виробництва з граничною потужністю 150 мВт і граничною частотою 7 МГц.

І3. Чому транзистор навивають "польовим"? Які інші назви він має? Поясніть ці назви.

В польових транзисторах відбувається керування наскрізним струмом через область між витоком і стоком шляхом зміни затворної напруги. (див. питання 14). Це керування здійснюється електричним полем, яке існує у збідненому шарі. Тому такі транзистори мають назву польових. Принцип дії польових транзисторів заснований на русі носіїв одного знаку у напівпровіднику з одним типом провідності. Тому інша назва таких транзисторів - уніполярні. Третя їх назва - канальні відображає той факт, що рух носіїв тут відбувається по провідній області, яка має назву каналу, переріз і провідність котрого регулюються затворною напругою.

14. За рахунок якого явища відбувається у польовому транзисторі керування вихідним струмом? Поясніть принцип дії польового транзистора з керуючим переходом. p n –

Польовий транзистор – напівпровідниковий прилад, у якому струм створюють основні носії під дією повздовжнього електричного поля. Керування величиною струму здійснюється поперечним електричним полем, яке створюється напругою, що прикладена до керуючого електрода (затвору). Цей прилад має високий коефіцієнт підсилення і високий вхідний опір.

Рис. 7.1. Схематичне зображення польового транзистора з керуючим p‑n переходом і схема його увімкнення

Найпростіший польовий транзистор становить тонку пластинку напівпровідникового матеріалу з одним p‑n переходом у центральній частині та з невипрямляючими контактами по краях (Рис. 7.1). Дія цього приладу грунтується на залежності товщини p‑n переходу від прикладеної до нього напруги. Оскільки p‑n перехід (запірний шар) майже цілком позбавлений рухомих носіїв заряду, його провідність практично рівна нулеві. Таким чином, у пластинці напівпровідника утвориться струмопровідний канал, перетин якого залежить від товщини p‑n переходу (запірного шару). Якщо увімкнути джерело живлення , як показано на Рис. 7.1, то через пластинку напівпровідника між невипрямляючими контактами потече струм. Напівпровідникова область, від якої починають рух основні носії, називається витоком, а область, до якого вони рухаються через канал, — стоком.

Напівпровідникова область, що використовується для управління величиною струму, який протікає через канал, називається затвором. До кожної з областей приєднуються виводи, що носять відповідні назви (витоку, стоку і затвора). Величина струму в каналі (при  і ) залежить від опору пластинки між стоком і витоком, тобто від ефективної площі поперечного перерізу каналу.

Джерело  створює негативну напругу на затворі, що спричиняє збільшення товщини p‑n переходу та зменшення перетину каналу.

Зі зменшенням перетину каналу збільшується опір між витоком і стоком та знижується величина струму . Зменшення напруги на затворі викликає зменшення опору каналу і зростання струму . Отже, струм, що протікає через канал, можна модулювати сигналами, позитивними відносно затвора.

Оскільки p‑n перехід затвора увімкнений у зворотньому напрямку, вхідний опір приладу дуже великий.

Негативна напруга, яка прикладена до затвора (відносно витоку), може викликати таке розширення p‑n переходу, при якому струмопровідний канал виявиться перекритим. Ця напруга називається граничною (або напругою відсічки).

До p‑n переходу затвора прикладена не тільки напруга , але і напруга, яка виділяється на розподіленому опорі каналу і створена струмом, який протікає від витоку до стоку. Тому ширина p‑n переходу в стоку збільшиться, а ефективний перетин каналу відповідно зменшиться (Рис. 7.1).

Прилади даного типу називаються польовими (канальними) транзисторами з керуючим p‑n переходом. Робота цих транзисторів базується на модуляції ефективного перетину каналу, що здійснюється зміною товщини запірного шару зворотно зміщеного p‑n переходу.

Польовий транзистор з керуючим р-n-переходом - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу р-n-переходом, зміщеним у зворотному напрямку. Малюнок 5.1 - Пристрій польового транзистора з керуючим р-n-переходом (каналом n-типу) Малюнок 5.2 - Умовне позначення польового транзистора з р-n-переходом і каналом n-типу (а), каналом р-типу (б) Каналом польового транзистора називають область у напівпровіднику, в якій струм основних носіїв заряду регулюється зміною її поперечного перерізу. Електрод (висновок), через який в канал входять основні носії заряду, називають витоком. Електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком. Електрод, службовець для регулювання поперечного перерізу каналу за рахунок керуючого напруги, називають затвором. Як правило, випускаються кремнієві польові транзистори. Кремній застосовується тому, що струм затвора, тобто зворотний струм р-n-переходу, виходить в багато разів менше, ніж у германію. Умовні позначення польових транзисторів з каналом n-і р-типів наведено на рис. 5.2. Полярність зовнішніх напружень, які підводяться до транзистора, показана на рис. 5.1. Управляє (вхідний) напруга подається між затвором і витоком. Напруга Uзи є зворотним для обох р-n-переходів. Ширина р-n-переходів, а, отже, ефективна площа поперечного перерізу каналу, його опір і струм в каналі залежать від цієї напруги. З його зростанням розширюються р-n-переходи, зменшується площа перетину струмопровідного каналу, збільшується його опір, а, отже, зменшується струм в каналі. Отже, якщо між витоком і стоком включити джерело напруги Uси, то силою струму стоку Iс, що протікає через канал, можна керувати шляхом зміни опору (перерізу) каналу за допомогою напруги, що подається на затвор. На цьому принципі і грунтується робота польового транзистора з керуючим р-n-переходом. При напрузі Uзи = 0 перетин каналу найбільше, його опір найменше та струм Iс виходить найбільшим. Струм стоку Iс поч при Uзи = 0 називають початковим струмом стоку. Напруга Uзи, при якому канал повністю перекривається, а струм стоку Iс стає вельми малим (десяті частки мікроампер), називають напругою відсічення Uзи відступ.

15. В чому основна відміна у принципі дії польового та біполярного транзисторів?

Основна принципова відмінність біполярного транзистора, від польового полягає в тому, що перший, з них керується вхідним струмом, а другий - вхідною напругою. Можна, звичайно, заперечити, що і в біполярному транзисторі вхідний струм створюється вхідною напругою. Однак, врешті-решт, струм колектора визначається саме струмом бази або емітера, і, отже, існування вхідного струму у біполярного транзистора є принципово необхідним. З цього висновується по-перше, що вхідний опір біполярного транзистора не може бути дуже великим (а він і дійсно невеликий), та по-друге, що для керування колекторним струмом потрібна хоч і невелика, а все ж таки, скінчена потужність вхідного сигналу.

На відміну від цього, вхід польового транзистора є не відкритим, а закритим переходом, зворотний струм якого, неістотний для роботи транзистора, може бути зробленим як завгодно малим.

Підключений до джерела вхідного сигналу польовий транзистор практично не навантажує це джерело і не впливає на його роботу. В цьому і полягає основна перевага польових транзисторів над біполярними.

Польові транзистори володіють високим вхідним опором, малим рівнем шумів, високою термостабільністю та радіаційною стійкістю. Це обумовлює можливість їх широкого застосування в електронних схемах.

16. Чи впливає величина вхідного струму польового транзистора на величину його вихідного струму?

Ні.

Вхід польового транзистора є не відкритим, а закритим переходом, зворотний струм якого, неістотний для роботи транзистора, може бути зробленим як завгодно малим.

Величина вихідного струму в каналі керується вхідною напругою.

17. Чому польовому транзистору притаманний більший (у порівнянні з біполярним) вхідний опір?

Оскільки p‑n перехід затвора увімкнений у зворотньому напрямку, вхідний опір приладу дуже великий.

18. Чому малість вхідного струму польового транзистора може вважатися його важливою перевагою перед біполярним транзистором?

Підключений до джерела вхідного сигналу польовий транзистор практично не навантажує це джерело і не впливає на його роботу. В цьому і полягає основна перевага польових транзисторів над біполярними.

19. 3 яких двох характерних ділянок складаються вихідні характеристики польового транзистора? Дайте їм пояснення.

Сімейства статичних вихідних характеристик польового транзистора з керуючим p‑n переходом наведені на Рис. 7.6.

Рис. 7.6. Сімейство вихідних вольт-амперних характеристик польового транзистора з керуючим p‑n переходом.

Нехай між затвором і витоком напруга дорівнює нулеві, а напруга між стоком і витоком поступово збільшується. При малих значеннях  струм  зростає майже пропорційно цій напрузі (ділянка АБ, Рис. 7.6). Ця крута ділянка вихідної характеристики відповідає повністю відкритому каналові. Малий струм на відкритому каналі створює мале падіння напруги, яке викликає лише незначне звуження самого каналу. При великому значенні струму  через падіння напруги на каналі його перетин біля стоку значно зменшується, яке викликає істотне сповільнення зростання струму при подальшому підвищенні напруги  (ділянка БВ, Рис. 7.6).

В результаті канал звужується настільки, що подальше істотне збільшення струму  виявляється неможливим (ділянка ВГ, Рис. 7.6).

Полога ділянка характеристики називається ділянкою насичення. Напруга, при якій настає режим насичення, носить назву напруги насичення.

Якщо між затвором і витоком прикласти деяку запираючу напругу (наприклад, ‑1 В, Рис. 7.6), то перетин каналу у початковому стані зменшиться. Оскільки опір каналу в цьому випадку більший, то кут нахилу крутої ділянки вихідної характеристики буде меншим, а перехід до режиму насичення відбудеться при меншому значенні напруги  і струму . Подаючи між затвором і витоком послідовно ряд напруг різних значень ( ), одержуємо усе сімейство статичних вихідних характеристик (Рис. 7.6). Область насичення, яка є робочою областю транзистора, на цьому сімействі розташована праворуч від пунктирної лінії.

При напрузі на затворі, рівній (або більшій за абсолютною величиною) граничній ( ), струм стоку стає дуже малим при будь-якому значенні напруги на стоці.

Розглянемо вольт - амперні характеристики польових транзисторів з р-n-переходом. Для цих транзисторів представляють інтерес два види вольт - амперних характеристик: стічні та стоко - затворні. Стокові (вихідні) характеристики польового транзистора з р-n-переходом і каналом n-типу показані на рис. 5.3, а. Вони відображають залежність струму стоку від напруги Uси при фіксованій напрузі Uзи: Ic = f (Uси) при Uзи = const. а) б) Малюнок 5.3 - Вольт-амперні характеристики польового транзистора з р-п-переходом і каналом п-типу: а - стокові (вихідні); б - стоко - затворна Особливістю польового транзистора є те, що на провідність каналу впливає як керуюча напруга Uзи, так і напругу Uси. При Uси = 0 вихідний струм Iс = 0. При Uси> 0 (Uзи = 0) через канал протікає струм Ic, в результаті чого створюється падіння напруги, що зростає в напрямку стоку. Сумарне падіння напруги ділянки витік-стік одно Uси. Підвищення напруги Uси викликає збільшення падіння напруги в каналі і зменшення його перетину, а отже, зменшення провідності каналу. При певній напрузі Uси відбувається звуження каналу, при якому кордони обох р-n-переходів змикаються і опір каналу стає високим. Така напруга Uси називають напругою перекриття або напругою насичення Uси нас. При подачі на затвор зворотної напруги Uзи відбувається додаткове звуження каналу, і його перекриття настає при меншому значенні напруги Uси нас. У робочому режимі використовуються пологі (лінійні) ділянки вихідних характеристик. Стоко - затворна характеристика польового транзистора показує залежність струму Iс від напруги Uзи при фіксованій напрузі Uси: Ic = f (Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).

Розглянемо вольт - амперні характеристики польових транзистора з - переходом. Для цих транзисторів викликають інтерес два види вольт-амперних характеристик: стокові й стоко - затворні. Стокові (вихідні) характеристики польового транзистора з - переходом і каналом - типу показані на рис. 1.30. Вони відбивають залежність струму стоку від напруги стік - виток при фіксованій напрузі затвор - виток і представляються у вигляді сімейства кривих. На кожній із цих кривих можна виділити три характерні області: ‑ сильна залежність струму від напруги (початкова область); ‑ слабка залежність струму від напруги ; ‑ пробій - переходу.

Розглянемо вихідну характеристику польового транзистора при (рис. 1.29, б). В області малих напруг (ділянка ) вплив напруги на провідність каналу незначний, в зв'язку з чим тут є практично лінійна залежність . В міру збільшення напруги (ділянка ) звуження струмопровідного каналу робить все більше істотний вплив на його провідність, що призводить до зменшення крутизни наростання струму. При підході до границі з ділянкою (точка ) перетин струмопровідного каналу зменшується до мінімуму в результаті змикання обох - переходів. Подальше підвищення напруги на стоці не повинне призводити до збільшення струму через прилад, тому що одночасно з ростом напруги буде збільшуватися опір каналу. Деяке збільшення струму на експериментальних кривих пояснюється наявністю різного роду витоків і впливом сильного електричного поля в - переходах, що прилягають до каналу.

Ділянка різкого збільшення струму характеризується лавинним пробоєм області - переходів поблизу стоку по ланцюзі стік - затвор Напруга пробою відповідає точці .

Прикладання до затвору зворотної напруги викликає звуження каналу (рис. 1.29, а) і зменшення його вихідної провідності. Тому початкові ділянки кривих, що відповідають більшим напругам на затворі, мають меншу крутизну наростання струму (рис. 1.30). Через наявність напруги перекриття каналу об'ємним зарядом - переходів (рис. 1.29, в) відбувається при меншій напрузі й границі ділянок та будуть відповідати менші напруги стік - витік. Напругам перекриття каналу відповідають абсциси точок перетинання стокових характеристик з пунктирною кривою, показаною на рис. 1.30. При менших напругах наступає й режим пробою транзистора по ланцюзі стік - затвор.

Важливим параметром польового транзистора є напруга на затворі, при якому струм стоку близький до нуля. Вона відповідає напрузі закривання приладу по ланцюзі затвору й називається напругою закривання або відсікання . Числове значення напруги дорівнює напрузі в точці вольтів - амперної характеристики при .

Оскільки керування вихідним струмом польових транзисторів за рахунок зміни напруги вхідного ланцюга, у них викликає інтерес так звана перехідна або стоко - затворна вольт - амперна характеристика. Стоко - затворна характеристика польового транзистора показує залежність струму стоку від напруги затвор - витік при фіксованій напрузі стік - витік: Зразковий вид цієї характеристики показаний на рис. 1.31. Стоко - затворна характеристика пов'язана з вихідними характеристиками польового транзистора й може бути побудована по ним.

20. В якій області об’єму польового транзистора відбувається основне виділення тепла та саморозігрівання?

Основними фізичними причинами зміни струму стоку ПТ є температурні залежності рухомості носіїв у каналі, порогової напруги та значення позитивного поверхневого заряду. З одного боку, рухомість носіїв у каналі зменшується з ростом температури, що спричиняє зменшення струму. Одночасно зменшується порогова напруга і струм стоку збільшуються. Таким чином, температурні зміни крутості та порогової напруги можуть взаємно компенсуватися. Стокзатворні характеристики при двох температурах перетинаються в одній точці, тобто є така особлива робоча точка – термостабільна, в якій струм стоку не залежить від температури. Цю властивість МДН-транзисторів використовують для створення схем з підвищеною температурною стабільністю.

Параметри МДН-транзисторів менш чутливі до зміни температури, ніж параметри БТ.

21. Якими параметрами характеризуються польові транзистори? Чому для їх описання не використовуються h-параметри?

Польові транзистори характеризуються наступними основними параметрами:

Крутість прохідної характеристики  при  у режимі насичення.

Вхідний опір між затвором і витоком , який визначається при максимально допустимій напрузі між цими електродами.

Вихідний (внутрішній) опір  при  у режимі насичення. Оскільки вихідні характеристики польового транзистора в робочій області майже паралельні осі абсцис, тому  великий.

Максимальна частота. В польовому транзисторі відсутній дифузійний процес і пов'язані з ним інерційність та накопичення зарядів. Тому максимальна частота польового транзистора залежить тільки від постійної часу його стоку і визначається за формулою

,

де  — середнє значення опору каналу, а  — повна ємність між затвором і каналом при заземлених витоці, стоці та підкладці. Залежність ємності затвора від напруги аналогічна залежності ємності звичайного p‑n переходу.

Важливими параметрами польових транзисторів із вбудованим каналом є:  — струм насичення стоку при нульовому зміщенні на затворі;  — напруга між стоком і витоком при нульовому зміщенні на затворі, при якому настає насичення струму стоку;  — статичний опір між стоком і витоком, виміряний при малій напрузі між стоком і витоком та нульовому зміщенні;  — гранична напруга на затворі;  — залишковий струм у стоковому колі в режимі відсічки, що залежить від струму витоку і теплового струму, які протікають через p‑n переходи стік — підкладка, витік — підкладка.

До максимальних режимів польових транзисторів відносяться максимально допустима напруга між стоком і витоком ; максимально допустима напруга між затвором і витоком  та максимально допустима потужність, яка розсіюється транзистором.

Максимальна потужність розсіювання на польовому транзисторі для малопотужних приладів не перевищує 200 мВт, а для потужних — 10 Вт. Робоча напруга польового транзистора 30—90 В. Максимальний вихідний струм обмежується товщиною кристала під затвором.

ПТ має великі вхідний та вихідний опори. Тому на відміну від БТ статичні характеристики ПТ досліджуються як залежності від напруг. Вхідна характеристика І_з=f(U_зв) через дуже малий вхідний струм не несе інформації і не використовується.

Для оцінки ПТ як активного елемента електронних схем використовуються дві сімї статичних характеристик:

• Характеристики керування (стокзатворні), що відображають залежність струму стоку від напруги на затворі при різних напругах на стоці I_с=f(U_зв), якщо U_св= const.

• Вихідні характеристики (стокові), що відображають що залежність струму стоку від напруги на столці відносно витоку при різних постійних напругах на затворі I_с=f(U_св), якщо U_зв= const.

22. Чим визначаєтьоя верхня гранична частота польового транзистора?

Максимальна частота. В польовому транзисторі відсутній дифузійний процес і пов'язані з ним інерційність та накопичення зарядів. Тому максимальна частота польового транзистора залежить тільки від постійної часу його стоку і визначається за формулою

,

де  — середнє значення опору каналу, а  — повна ємність між затвором і каналом при заземлених витоці, стоці та підкладці. Залежність ємності затвора від напруги аналогічна залежності ємності звичайного p‑n переходу.

23. Чому на еквівалентній схемі польового транзистора не зображаються вхідні кола?

Польові транзистори володіють високим вхідним опором, малим рівнем шумів, високою термостабільністю та радіаційною стійкістю. Це обумовлює можливість їх широкого застосування в електронних схемах.

Рис. 7.5. Еквівалентна схема польового транзистора за змінним струмом

Еквівалентна схема польового транзистора за змінним струмом показана на Рис. 7.5. Затвор можна подати у виді двох опорів  та , зашунтованих відповідними емностями  та . Ці елементи схеми еквівалентні розподіленим опорам і бар'єрним емностям затвора відносно областей витоку і стоку.

Опір витоку  еквівалентний опорові ділянки напівпровідника, що міститься між контактом джерела й областю каналу, яка безпосередньо пов'язана з затвором. Опір стоку  - це опір ділянки напівпровідника, що міститься між контактом стоку й областю каналу, яка безпосередньо пов'язана з затвором.

Підсилювальна властивість транзистора або його активність подані генератором струму  та внутрішнім (диференційним) опором каналу транзистора  при .

З еквівалентної схеми Рис. 7.5 випливає, що  — вхідна ємність транзистора (у схемі з спільним витоком СВ),  — опір внутрішнього зворотного зв'язку, як у звичайного транзистора,  та  — прохідні опір і ємність, оскільки вони пов'язують кола стоку і затвору, тобто вихідне і вхідне кола транзистора (у схемі з СВ).

24. Чому МДН-транзиотор з індукованим p-каналом відкривається лише при досить великій негативній напрузі на затворі?

		Рис. 7.3. Структура польового МДН-транзистора з індукованим каналом

Різновидом польових транзисторів з ізольованим затвором є прилади, у яких відсутня керована провідність між областями стоку і витоку при напрузі між затвором і витоком, рівній нулеві. Це МДН‑транзистори з індукованим каналом (Рис. 7.3).

	1
а)		б)
	2
а)		б)
	3
а)		б)
Рис. 7.4. Умовні графічні позначення польових транзисторів 1 — МДН з убудованим каналом n‑типу (а) та р‑типу (б); 2 — МДН з індукованим каналом n‑типу (а) та р‑типу (б); 3 — з керуючим p‑n переходом та каналом n‑типу (а) та р‑типу (б).

Підкладка транзистора з індукованим каналом — це високоомний, слаболегований кремній з n‑провідністю, а стік і витік — сильнолеговані області з p‑ провідністю. Металевий затвор відділений від кристала тонким шаром ізолятора. Поки на затвор не подана негативна напруга відносно витоку, вихідний струм при  близький до нуля. Дійсно, незалежно від полярності прикладеної між стоком і витоком напруги один з p‑n переходів (витік — підкладка або підкладка — стік) виявиться закритим і вихідний струм буде визначатися зворотним струмом закритого переходу та струмом витоку. При подачі на затвор негативної напруги відносно витоку поверхневий шар напівпровідника, що лежить під затвором, виявиться збагаченим дірками, тобто поверхневий тонкий шар напівпровідника змінить свою провідність з електронної на діркову. В результаті р‑області стоку і витоку замкнуться тонким каналом напівпровідника такого ж типу провідності. Чим більшою буде прикладена негативна напруга між затвором і витоком, тим сильніше буде збагачений канал дірками і тим вищою буде провідність каналу.

При подачі на затвор позитивної напруги напівпровідник біля ізолюючого шару буде збагачений електронами і провідного каналу між витоком і стоком не утвориться.

Таким чином, транзистори з керуючим p‑n переходом працюють тільки в режимі збіднення (звуження) каналу. МДН‑транзистори із вбудованим каналом — у режимі збіднення і збагачення каналу носіями, а МДН‑транзистори з індукованим каналом — тільки в режимі збагачення.

25. Чому в МДН-транзиоторі струм між витоком та стоком йде тільки каналом, а не замикається через матеріал підкладки?

В даний час широке поширення одержали польові транзистори з ізольованим затвором, так звані МДН‑транзистори (метал — діелектрик— напівпровідник) або МОН‑транзистори (метал — окисел — напівпровідник).

В транзисторах з ізольованим затвором модуляція провідності каналу здійснюється за допомогою металевого електрода, відділеного від каналу тонким шаром діелектрика.

Конструкція такого приладу схематично наведена на Рис. 7.2. Основою приладу служить пластинка (підкладка) зі слаболегованого кремнію з p‑провідністю. Стік і витік володіють n‑провідністю. Між ними проходить вузька слаболегована смужка кремнію з n‑провідністю (канал). Затвор виконується у виді металевої пластинки, яка ізольована від каналу шаром діелектрика.

Канал може збіднюватися або збагачуватися рухомими носіями заряду (електронами) шляхом прикладання до затвора негативної або позитивної напруги (відносно витоку). При негативній напрузі на затворі електрони провідності, “виштовхуються” з області каналу в об’єм напівпровідника підкладки. При подачі на затвор позитивної напруги відбувається “втягування” електронів провідності з підкладки в канал. Отже, зміна напруги на затворі викликає зміну провідності каналу (і, відповідно, струму, який протікає через цей канал).

При протіканні струму через канал потенціал стоку підвищується. Це викликає збіднення основними носіями (електронами) області каналу, розташованої поблизу стоку, що рівносильно звуженню ефективного перетину каналу транзистора з керуючим p‑n переходом.

У такий спосіб на відміну від польового транзистора з керуючим p‑n переходом транзистор з ізольованим затвором може працювати з нульовим, негативним або позитивним зміщенням. Іншою важливою перевагою польових транзисторів з ізольованим затвором є дуже високий вхідний опір, обумовлений опором ізолюючого прошарку між затвором і каналом.

Розглянутий польовий транзистор з ізольованим затвором, у якому канал між стоком і витоком отриманий технологічним шляхом, називається МДН‑транзистором із вбудованим каналом.

Рис. 7.2. Структура польового МДН-транзистора із вбудованим каналом		Рис. 7.3. Структура польового МДН-транзистора з індукованим каналом

Різновидом польових транзисторів з ізольованим затвором є прилади, у яких відсутня керована провідність між областями стоку і витоку при напрузі між затвором і витоком, рівній нулеві. Це МДН‑транзистори з індукованим каналом (Рис. 7.3).

	1
а)		б)
	2
а)		б)
	3
а)		б)
Рис. 7.4. Умовні графічні позначення польових транзисторів 1 — МДН з убудованим каналом n‑типу (а) та р‑типу (б); 2 — МДН з індукованим каналом n‑типу (а) та р‑типу (б); 3 — з керуючим p‑n переходом та каналом n‑типу (а) та р‑типу (б).

Підкладка транзистора з індукованим каналом — це високоомний, слаболегований кремній з n‑провідністю, а стік і витік — сильнолеговані області з p‑ провідністю. Металевий затвор відділений від кристала тонким шаром ізолятора. Поки на затвор не подана негативна напруга відносно витоку, вихідний струм при  близький до нуля. Дійсно, незалежно від полярності прикладеної між стоком і витоком напруги один з p‑n переходів (витік — підкладка або підкладка — стік) виявиться закритим і вихідний струм буде визначатися зворотним струмом закритого переходу та струмом витоку. При подачі на затвор негативної напруги відносно витоку поверхневий шар напівпровідника, що лежить під затвором, виявиться збагаченим дірками, тобто поверхневий тонкий шар напівпровідника змінить свою провідність з електронної на діркову. В результаті р‑області стоку і витоку замкнуться тонким каналом напівпровідника такого ж типу провідності. Чим більшою буде прикладена негативна напруга між затвором і витоком, тим сильніше буде збагачений канал дірками і тим вищою буде провідність каналу.

При подачі на затвор позитивної напруги напівпровідник біля ізолюючого шару буде збагачений електронами і провідного каналу між витоком і стоком не утвориться.

Таким чином, транзистори з керуючим p‑n переходом працюють тільки в режимі збіднення (звуження) каналу. МДН‑транзистори із вбудованим каналом — у режимі збіднення і збагачення каналу носіями, а МДН‑транзистори з індукованим каналом — тільки в режимі збагачення.

Розглянуті польові транзистори можуть мати канал як з електронною, так і з дірковою провідністю. На Рис. 7.4 показані умовні позначення різних типів польових транзисторів.

26. Чому інструмент, за допомогою якого виконується монтаж МДН-транзисторів, потрібно обов’язково заземлюввати?

Великий вхідний опір - перевага МДН-транзисторів. Разом з тим, це є також їх недоліком, оскільки подібні транзистори виявляються дуже чутливими до статичної електрики. Необережний дотик до затвору інструментами чи пальцями, на яких є заряд статичної електрики, може призвести до пробою тонкого шару діелектрика і ушкодженню транзистора. Тому при роботі з МДН-транзисторами потрібно завжди заземлювати як тіло працюючого, так і інструменти, якими він користується.

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ