Электроника. Часть 1

Рис. 5.11 — Рабочие точки МДП-транзистора в ключевом режиме

Поскольку при малых значениях UC сечение дырочного слоя и концентрация дырок в нем почти не зависят от х, величину R0 обычно называют сопротивлением канала. Из (5.18) и (5.19) очевидно, что остаточное напряжение на МДП-транзисторном ключе имеет чисто омический характер:

UCO = IC RO .

Это обстоятельство является важным преимуществом МДПтранзисторов, так как в случае биполярных транзисторов даже при нулевом токе имеется вполне конечное остаточное напряжение.

Эквивалентная схема. Для МДП-транзисторов в отличие от унитронов эквивалентная схема для переменных составляющих должна отражать влияние подложки (независимо от наличия потенциала). Одна из таких схем, предложенная В.Н. Кононовым, показана на рис. 5.12. Несмотря на внешнюю симметрию, обе половины схемы имеют разные значения. Переходные и частотные характеристики МДП-транзисторов обусловлены перезарядом межэлектродных емкостей через внешние резисторы, а также перезарядом емкости затвор-канал через сопротивление канала. Последний процесс накладывает принципиальное ограничение на быстродействие транзистора. Строго говоря, канал МДП-транзис- тора следует рассматривать как распределенную систему.

Однако удобнее в первом приближении охарактеризовать инерционность этой системы постоянной времени, т. е. уподобить канал простейшей RC-цепочке. В качестве элементов такой цепочки можно принять емкость затвора (5.16) и сопротивление

192

канала (5.19). Тогда постоянная времени канала (она же постоянная времени крутизны) будет иметь вид:

Как видим, это по существу обратная величина добротности

(5.17).

Рис. 5.12 — Эквивалентная схема МДП-транзистора для малых переменных составляющих

Для улучшения переходных и частотных свойств МДПтранзистора нужно в первую очередь уменьшать длину канала, а также увеличивать приповерхностную подвижность. При обыч-

ной длине канала 5—10 мкм граничная частота крутизны ( 12πτ )

лежит в пределах 100—300 МГц. Однако при ультракоротких (доли микрона) каналах удается обеспечить граничные частоты до 10—20 Ггц и выше. На эквивалентной схеме параметры Сз и Rо не показаны, так как их влияние отражено операторным или комплексным характером крутизны S. В типичных случаях емкость затвора составляет десятые доли пикофарады (иногда 1—2 пф), а сопротивление канала — сотни Ом.

Межэлектродные емкости зависят от конструкции и геометрии прибора и обычно не превышают 1 пф. Интересной особенностью МДП-транзисторов является наличие критического значения рабочего тока IC, при котором этот ток почти не зависит от температуры, поскольку взаимно компенсируются влияния температуры на удельную крутизну S (через подвижность μ ) и пороговое напряже-

ниеU0, откоторыхв первуюочередьзависитвеличинатока.

193

Вопросы для самопроверки

1.В чём принципиальные отличия в работе полевых транзисторов от биполярных?

2.Объясните физические принципы работы полевого транзистора с p-n переходом.

3.Почему канал у стока сужается?

4.Какие типы каналов у полевых транзисторов с p-n переходом Вы знаете?

5.Нарисуйте статические выходные и передаточные характеристики транзистора с p-n переходом.

6.Почему нормальная работа полевого транзистора с p-n переходом обеспечивается только при обратном смещении на переходе?

7.Основные параметры унитрона.

8.Начертите эквивалентную схему унитрона.

9.В чём особенность полевых транзисторов с изолированным затвором?

10.Какие типы полевых транзисторов с изолированным затвором Вы знаете?

11.Объясните физические принципы работы полевого транзистора со встроенным каналом?

12.Начертите статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора со встроенным каналом.

13.Основные физические принципы работы полевого транзистора с индуцированным или наведенным каналом.

14.В чем принципиальное отличие передаточных характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом от ана-

логичных для встроенного канала?

15. Начертите передаточные характеристики транзистора

синдуцированным каналом для p- и n-типа.

16.Основные параметры полевых транзисторов с изолированным затвором.

17.Объясните, что означает понятие «насыщение тока стока» и с чем это связано?

18.Начертите эквивалентную схему для полевого транзистора с изолированным затвором.

195

анализа, а особенности других включений и других схемных вариантов ключей будут охарактеризованы позднее. В отличие от усилителей, в которых (за исключением мощных каскадов класса В) транзисторы работают в активном режиме, в ключах (импульсных устройствах вообще) транзисторы должны работать в нескольких качественно различных режимах. Эти режимы характеризуются полярностями напряжений на переходах транзистора.

А именно различают:

1.Режим отсечки (UБЭ>0; UK<0).

2.Нормальный активный режим (UБЭ<0; UКБ<0).

3.Инверсный активный режим (UБЭ>0; UКБ>0).

4.Режим насыщения (UБЭ<0; UКБ>0). Последний было бы правильнее называть режимом двойной инжекции, так как насыщение (тока), как увидим ниже, есть лишь результат такого режима в ключевых схемах.

6.2Статические характеристики ключа в схеме

собщим эмиттером (ОЭ)

Рассмотрим семейство характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 6.2). Проведем на характеристиках линию нагрузки Rк, или построим статическую вольт-амперную характеристику резистора Rк, уравнение которой имеет вид

I = Ek , т. е. закон Ома. Учитывая, что это уравнение прямой ли-

RK

нии, для её построения достаточно найти две точки. При токе, равном нулю, — точка EK. При падении напряжения на резисторе Rк напряжения EK ток равен IK. Минимальный ток ключа соответствует точке 2, а минимальное падение напряжения на транзисторе — точке 1. В точке 2 транзистор заперт, так как на его базе действует положительное смещение; в точке 1 транзистор открыт и насыщен. Рассмотрим подробнее эти два состояния, положив в основу формулы (4.4), описывающие идеализированный германиевый транзистор в режиме большого сигнала.

Режим отсечки. Пусть обе э. д. значительно превышают величину температурного потенциала ϕT . Положим, кроме того,

196

что сопротивления RБ и RК выбраны таким образом, что падением напряжения на них от протекания обратных токов базы и коллекто-

ра можно пренебречь. Тогда можно считать UБ ≈ EБ и UK ≈ EK ,

т. е. пренебречь экспонентами в формулах (4.4). Переходя в последних от α к β, используя соотношение (4.5) и полагая β N >> βi , по-

лучаемследующиезначениятоковвзакрытомтранзисторе.

IK Iб>Iбн

Iб=0

2

UК

Iб= –IK0 –EК

UТР.мин

Рис. 6.2 — Рабочие точки ключа ОЭ на семействе коллекторных характеристик

Рассмотренный случай называют режимом отсечки, так как выходной ток имеет минимальное значение (не путать с режи-

мом отсечки тока стока в полевом транзисторе).

198

Как видим, режим насыщения определяется не величиной токов, а их соотношением и может иметь место при весьма малых токах, например порядка десятков микроампер и меньше. Опыт показывает, что удобно иметь не только критерий насыщения, но и количественную характеристику «глубины» насыщения, который можно записать в виде

Коэффициент S называют степенью насыщения, а произведение IБβ = IК.КАЖ. — кажущимся током коллектора. Понятие

кажущийся ток коллектора является условным и означает, что в цепи коллектора протекал бы такой ток, если бы не происходило его ограничения резистором RK и источником питания EK .

В заключение анализа насыщенного ключа в статическом режиме отметим следующее:

1.В запертом состоянии токи через переходы мы приняли равными нулю, а это значит, что мощность, которая рассеивается на транзисторе, равна нулю.

2.В режиме насыщения транзистор представляет эквипотенциальную поверхность, а это значит, что и в этом случае рассеиваемая мощность равна нулю.

Однако при переходе транзистора из режима отсечки токов

иобратно он в течение переходного процесса работает в активном режиме, и на транзисторе рассеивается мощность. Чем выше

частота переключения, тем больше мощность рассеивается на транзисторе.

6.3 Переходный процесс в насыщенном ключе при открывании транзистора

При анализе переходных процессов для упрощения анализа будем считать, что емкость коллекторного перехода равна нулю, а её влияние учтем позднее.

На рис. (6.4) приведены эпюры токов в ключе при открывании транзистора.

Пусть в момент времени t0 на входе ключа действует отрицательное напряжение, которое смещает эмиттерный переход

199

в прямом направлении, амплитудой достаточной, чтобы транзистор зашел в режим насыщения.

Рис. 6.4 — Эпюры изменения токов в насыщенном транзисторном ключе при открывании (формирование положительного фронта)

В начальный момент времени барьерная емкость эмиттерного перехода препятствует смещению его в прямом направле-

нии. Ток базы при t0 ≥ 0 равен IБМАК = EБ2 . По мере заряда ем-

RБ

кости ток базы уменьшается и стремится к установившемуся зна-

сопротивление эмиттерного перехода. Плавное нарастание коллекторного тока связано с перераспределением неосновных носителей в области базы (в нашем случае дырок) или зарядом диффузионной ёмкости эмиттерного перехода CЭ. По мере заряда этой емкости ток коллектора возрастает и стремится к своему установившемуся значению IКН.

Время, за которое ток коллектора увеличился до значения 0.9IКН, будем называть длительностью фронта tф+ . После того как ток коллектора достиг значения IКН , переходный процесс