2072

и коллектор соединены между собой. В результате эмиттерный и коллекторный переходы включены в прямом направлении.

растания напряжения Uкэ происходит сужение области базы и все большая часть этих носителей попадает в коллектор. Поэто-

му вначале ток коллектора растет почти пропорционально напряжению Uкэ и достигает значения Iк Iб +Iкэо, соответствующего заданной величине базового тока Iб . После этого рост тока Iк с увеличением напряжения практически прекращается. Однако при определенном значении Uкэ=Uкэmax происходит пробой, и транзистор выходит из строя.

Схема для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведена на рис. 6.8, а.

Входные характеристики Iэ= f Uэб при Uкб = const аналогичны прямой ветви ВАХ диода (рис. 6.8, б), поскольку ток эмиттера является пря-

71

мым током перехода «база – эмиттер». При Uкб = 0 входная характеристи-

ка выходит из нуля. При Uкб 0 и Uэб = 0 ток эмиттера имеет значение, близкое по величине к обратному току коллекторного перехода Iкэо. Изменение величины Uкб мало влияет на входную характеристику. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением Uкб , сосредоточено в коллекторном переходе и мало влияет на ток эмиттерного перехода.

Рис. 6.8. Статические характеристики транзистора для схемы с общей базой: а – схема для снятия характеристик; б, в – входные и выходные характеристики

Особенность входных характеристик транзистора в этой схеме включения (рис. 6.8, в) состоит в том, что при Uкб = 0 и Iэ 0 ток коллектора почти такой же, как и при нарастании Uкб . Это объясняется тем, что при протекании тока эмиттера в высокоомной области базы возникает некоторое падение напряжения, что создает условия для протекания тока коллектора при Uкб = 0. На этом же рисунке показано, что при перемене знака

72

Uкб уже при небольших его значениях ток коллектора вначале резко уменьшается до нуля, затем начинает нарастать, так как переход «коллектор – база» оказывается под прямым напряжением.

6.4. Усиление сигнала биполярным транзистором

Схему с ОЭ используют для усиления электрических сигналов. Нагрузку Rн включают в цепь коллектора, а источник G1 входного на-

пряжения uвх – в цепь базы транзистора VT1 (рис. 6.9). Во входную цепь дополнительно включают источник постоянной ЭДС с напряжением Eсм . Тогда в режиме покоя (при uвх = 0) Uбэ=Eсм , и в цепи базы протекает некоторый ток смещения Iбо, который вызывает определенный начальный ток коллектора I0 (рис. 6.9, б).

Величину Eсм надо выбрать так, чтобы ток I0 создавал на сопротивлении нагрузки усилителя Rн падение напряжения, близкое к половине величины напряжения источника питания Eк . В этом случае напряжение

Uкэ=U0 0,5Eк , и точка покоя будет расположена в середине рабочей области коллекторных характеристик транзистора. Тогда транзистор будет с минимальными искажениями усиливать как положительную, так и отрицательную половину входного напряжения uвх .

На временных диаграммах (см. рис. 6.9, б) показаны кривые входного и выходного сигналов, а также тока коллектора.

Работа транзистора происходит следующим образом. В исходном состоянии (при uвх = 0) протекает ток базы Iбо под действием источника Eсм . Между коллектором и эмиттером возникает падение напряжения U0

(рис. 6.9, г).

Положительная полуволна uвх создает положительную полуволну тока базы, что приводит к уменьшению сопротивления коллекторного перехода, в результате растет ток коллектора, но при этом уменьшается падение напряжения uкэ. Транзистор ведет себя как нелинейное сопротивление, управляемое током базы (рис. 6.9, в).

Коэффициент усиления по напряжению зависит от величины Rн , так как она определяет угол наклона нагрузочной линии (см. рис. 6.9, б):

ctg = Rн .

С ростом Rн уменьшается угол и увеличивается амплитуда выходного напряжения.

73

Если учесть, что переход «база – эмиттер» в рассматриваемой схеме включен в прямом направлении, то даже малые изменения uвх приводят к

появлению значительного тока базы и в раз больше тока коллектора. В результате коэффициент усиления по мощности входного сигнала может достигать нескольких тысяч.

Другие схемы включения транзистора обеспечивают меньшее усиление по мощности, однако они имеют свои достоинства по сравнению со схемой с ОЭ. Ее главные недостатки – сильная зависимость режима работы транзистора от температуры и низкое входное сопротивление, что на практике часто недопустимо.

6.5. Полевые транзисторы

Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

Полевым транзистором (ПТ) называют ПП прибор с усилительными свойствами, в котором управляют потоком носителей зарядов, движущихся через проводящий канал, с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного транзистора ток ПТ создается носителями зарядов одного знака – либо электронами, либо дырками. Поэтому ПТ иначе называют униполярными.

Вначале рассмотрим ПТ с управляющим p–n-переходом (рис. 6.10). Конструктивно ПТ представляет собой пластину ПП с проводимостью n-типа (рис. 6.10, а и б) или p-типа, называемую проводящим каналом. От ее торцов делают выводы. Электрод, через который в канал входят носители заряда (в данном случае электроны), называют истоком И, а электрод,

через который они выходят, – стоком С.

Третий вывод, называемый затвором З, делают от области с другим, чем у канала, типом проводимости. Такую область формируют на продольной грани пластины с одной или двух сторон (см. рис. 6.10, а и б).

В результате между каналом и затвором образуется p–n-переход. На затвор подают относительно истока такое напряжение Uзи , которое является обратным для p–n-перехода (рис. 6.10, д). Между стоком и истоком подается напряжение Uси такой полярности, чтобы основные носители заряда (в данном случае электроны) двигались от истока к стоку.

При обратном напряжении Uзи область p–n-перехода обладает большим сопротивлением, так как она объединена подвижными носителями зарядов. С ростом Uзи ширина этой области увеличивается, а проводящий канал сужается. В результате растет сопротивление проводящего канала.

75

з Uзи1

и

д

Рис. 6.10. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом:

а, б – упрощенные структуры; в, г – условные графические обозначения ПТ с каналом n- и p-типов в схемах; д – схема подключения ПТ

к источникам питания

Таким образом, работа ПТ основана на изменении проводимости канала между истоком и стоком под действием поперечного электрического поля, которое создается управляющим напряжением Uзи . Этим и объясняется название ПТ. Полевой транзистор может усиливать электрический сигнал, подаваемый на затвор, если нагрузку включить в цепь стока. Схема усилителя напряжения показана на рис. 6.11, а. Источник входного напряжения uвх t включен последовательно с источником постоянной ЭДС смещения. Она необходима для нормальной работы ПТ при любой полярности сигнала uвх t .

76

Малые изменения напряжения uвх t вызывают изменение напряженности поперечного электрического поля, ширины p–n-перехода и сопротивления канала ПТ. В результате ток стока ic изменяется в противофазе с изменениями входного напряжения uвх t . Переменная составляющая падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн представляет собой выходной сигнал, амплитуда которого может быть значительно больше, чем у входного сигнала.

Со стороны затвора ПТ имеет очень большое входное сопротивление, так как p–n-переход включен в обратном направлении. В отличие от биполярного полевой транзистор управляется не током, а напряжением. Главные достоинства ПТ – его высокое входное сопротивление и невысокая стоимость.

Статические характеристики полевого транзистора

Основными характеристиками ПТ являются выходные (стоковые) и передаточные (сток-затворные).

Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока Ic от напряжения между стоком и истоком Uси при заданном напряжении на затворе относительно истока Uзи :

Ic = f Uси при Uзи = const.

На рис. 6.11, б приведено семейство таких характеристик для транзистора с каналом n-типа.

При малых значениях Uси (область I) ток Ic растет пропорционально напряжению. По мере увеличения Uси (область II) расширяется p–n- переход, канал сужается и растет его сопротивление, что приводит к замедлению роста тока и нелинейности этого участка ВАХ. При дальнейшем увеличении Uси (область III) ток Ic практически не растет, так как повышение Uси компенсируется одновременным повышением сопротивления канала. При лавинном пробое p–n-перехода вблизи стока большим напряжением Uси (область IV) ток Ic резко возрастает.

Как видно из стоковых характеристик, в области I ПТ, по сути, является резистором с управляемым статическим сопротивлением. Рабочей для усилительных режимов является область III, где ПТ близок по свойствам к источнику тока Ic , управляемому напряжением Uзи .

Сток-затворная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения между затвором и истоком при постоянном напряжении Uси :

Ic f Uзu .

77

ческий коэффициент усиления напряжения, а также параметры предельных режимов: максимально допустимые значения напряжений Ucumax,

Uзumax , мощности Pmaxдоп и температуры Тmax . Крутизна сток-затворной характеристики

S Ic Uзи при Uси =const.

Чем выше S , тем лучше усилительные свойства транзистора. Обычно S = 0,1 – 8 мА/В. Крутизна определяет наклон сток-затворной характеристики ПТ (рис. 6.11, в).

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление

Чем больше Ri , тем более полого идет стоковая характеристика в области насыщения. Обычно Ri составляет десятки и сотни килоом.

Входное сопротивление Rвх очень велико, так как определяется обрат-

ным сопротивлением p–n-перехода и составляет величину 108 109 Ом. В этом состоит одно преимущество полевого транзистора перед бипо-

лярным.

Статический коэффициент усиления напряжения определяет усилительные свойства ПТ:

Этот коэффициент показывает, во сколько раз напряжение затвора Uзи сильнее влияет на ток стока, чем напряжение стока Uси .

Кроме этих статических параметров, на работу ПТ в переходных режимах влияют междуэлектродные емкости.

МДП-транзистор

Металл-диэлектрик-полупроводник-транзистором называют ПТ с изолированным затвором. В нем затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика, что и обусловило название транзистора (МДП-транзистор).

Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка SiO2 (окиси кремния). В результате получается структура «металл-окисел-

79

полупроводник», поэтому МДП-транзистор часто называют МОП-транзи- стором.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

МДП-транзистор со встроенным каналом

В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа исходным материалом является кремниевая пластина p-типа (рис. 6.12, а), называемая подложкой. В этой пластине создают области n+-типа с большой концентрацией примесей, образующие сток и исток, а между ними – тонкий слой n-типа с малой концентрацией примесей, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности пластины создается тонкая пленка SiO2, которая изолирует металлический затвор канала. Длина канала от истока до стока составляет единицы микрометров, ширина его – сотни микрометров, толщина слоя SiO2 – 0,1 – 0,2 мкм.

Металлические выводы создаются от областей стока, истока, затвора и в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки электрически соединяют с истоком внутри корпуса транзистора. Условные графические и позиционные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом приведены на рис. 6.12, б-д.

Принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом состоит в проводимости канала под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе Uзи .

При Uзи = 0 через канал протекает сквозной ток под действием напряжения между стоком и истоком Uси . Через подложку ток не протекает, так как один из p–n-переходов между стоком, подложкой и истоком находится под обратным напряжением.

Вид стоковой характеристики Ic f Ucu при Uзи = 0 такой же, как и у ПТ с управляющим p–n-переходом (рис. 6.13, а). Ее начальный участок

– крутовосходящий. По мере увеличения Uси канал к стоку сужается из-за расширения области p–n-перехода между стоком и подложкой, проводимость канала уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения – к пологому участку характеристики Ic f Ucu .

При подаче на затвор отрицательного напряжения Uзи 0 электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, в результате стоковая характеристика Ic f Ucu смещается вниз (рис. 6.13, а).

80