лекции прохоров

Граничні експлуатаційні параметри - це максимально допустимі значен-

ня напруг, струмів, потужності і температури, при яких гарантуються працездатність транзистора і значення його електричних параметрів в межах норм технічних умов. До граничних експлуатаційних параметрів відносяться:

–максимальнодопустимізворотнінапругинапереходах UКЕ max і UЕБ max;

–максимально допустима напруга UКЕ max в схемі ЗЕ при заданому опорі RБЕ зовнішнього резистора, підключеного між базою і емітером;

–максимально допустима розсіювана потужність Рmax;

–максимально допустимий струм колектора Imax;

–максимально допустима температура корпусу ТК max.

Крім цього указується діапазон робочих температур.

81

4УНІПОЛЯРНІ (ПОЛЬОВІ) ТРАНЗИСТОРИ

4.1Загальні відомості

До класу уніполярних транзисторів відносять транзистори, принцип роботи яких заснований на використовуванні носіїв заряду тільки одного знака (електронів або дірок). Управління струмом в уніполярних транзисторах здійснюється зміною провідності каналу, через який протікає струм транзистора під впливом електричного поля. Внаслідок цього уніполярні транзистори називають також польовими.

За способом створення каналу розрізняють:

–польові транзистори з управляючим р-n-переходом;

–польові транзистори з власним (вбудованим) каналом;

–польові транзистори з індукованим каналом.

Останні два типи відносять до різновидів транзисторів з ізольованим каналом.

В порівнянні з біполярними транзисторами польові володіють більш високою технологічністю, хорошою відтворністю необхідних параметрів, а також меншою вартістю. З електричних параметрів польові транзистори відрізняє їх високий вхідний опір.

4.2 Транзистори з управляючим p-n-переходом

4.2.1 Транзистори з управляючим p-n-переходом і горизонтальним каналом

Принцип роботи і схема включення польового транзистора з управляючим p-n-переходом (ПТУП) і горизонтальним каналом, а також його умовне графічне позначення показані на рисунку 1.1. Пластинка з напівпровідника, наприклад n-типа, має на протилежних кінцях електроди, за допомогою яких вона включена у вихідне (кероване) коло підсилювального каскаду. Це коло живиться від джерела Е2, і в нього включено навантаження Rн . Уздовж транзистора проходить вихідний струм основних носіїв (в даному випадку - потік електронів). Вхідне (управляюче) коло транзистора утворене за

82

допомогою третього електроду, що є областю з іншим типом електропровідності. В даному випадку це р-шар. Джерело живлення вхідного кола Е1 створює на єдиному р-n-переході даного транзистора зворотну напругу.

Фізичні процеси в польовому транзисторі відбуваються наступним чином. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на р-n-переході, і від цього змінюється товщина замикаючого (збідненого) шару, обмеженого на рисунку 4.1 штриховими лініями. Відповідно цьому міняється площа поперечного перетину області, через яку проходить потік основних носіїв заряду, тобто вихідний струм. Ця область називається каналом.

С

Ic

С

р

З

Електрод, з якого в канал витікають основні носії заряду, називають витоком (В). З каналу носії проходять до електроду, який називається стоком (С). Витік і стік аналогічні катоду і аноду електронної лампи відповідно. Управляючий електрод, призначений для регулювання площі поперечного перетину каналу, називається затвором (З), і якоюсь мірою він аналогічний сітці вакуумного тріода або базі біполярного транзистора, хоча за фізичним принципом роботи затвор і база вельми різні.

р-n-переходу стає товщим і площа поперечного перетину каналу зменшується. Отже, його опір постійному струму R0 зростає і струм стоку Ic стає меншим. При деякій замикаючій напрузі площа поперечного перетину каналу стане рівною нулю і струм Ic буде вельми малим і транзистор закривається. При Uзв = 0 перетин каналу найбільший, опір R0 якнайменший (декілька сотень Ом) і струм Ic виходить найбільшим. Для того, щоб вхідна напруга, можливо, більш ефективно управляла вихідним струмом, матеріал основного напівпровідника, в якому створений канал, для досягнення більшої товщини замикаючого шару повинен бути високоомним, тобто з невисокою концентрацією домішок. Крім того, початкова товщина самого каналу (при Uзв= 0) повинна бу-

ти достатньо малою. Звичайно вона не перевищує декількох мікрометрів. При цьому, оскільки потенціал уздовж каналу у міру наближення до стоку підвищується, то ближче до стоку зворотна напруга р-n-переходу збільшується і товщина замикаючого шару виходить більше.

Основними характеристиками польових транзисторів є вольт-

амперні, з яких інтерес представляють два види:

•керуючи (стоко-затвори);

•вихідні (стічні).

Стоко - затворні характеристики виражають залежність Ic= f (Uзв) при

Uсв= const (рис.4.2 а). Проте ці характеристики незручні для розрахунків і тому на практиці користуються вихідними характеристиками.

84

На рисунку 4.2 б) зображені стічні характеристики польового транзистора Ic= f (Uсв ) приUзв= const. Вони показують, що із збільшенням Uзв струм Ic спочатку швидко росте, а потім це зростання сповільнюється і майже припиняється, тобто наступає явище, що нагадує насичення.

Розглянемо вихідну характеристику польового транзистора при Uзв = 0. В області малих напруг Uсв (ділянка 0-а), де вплив напруги Uсв на провідність каналу незначний, має місце практично лінійна залежність. У міру збільшення напруги Uсв (ділянка а-б) звуження

струмопровідного каналу робить все більш істотний вплив на його провідність, що приводить до зменшення крутизни наростання струму.

При підході до межі з ділянкою 2 (точка б) перетин струмопровідного каналу в області стоку зменшується до мінімуму. Подальше підвищення напруги на стоці не приводитиме до збільшення струму через прилад, оскільки одночасно із зростанням напруги Uсв пропорційно збільшується опір каналу. Деяке збільшення струму Iс на експериментальних кривих пояснюється наявністю різного роду витоків і впливом сильного електричного поля в р-n-переходах, прилеглих до каналу.

Ділянка 3 різкого збільшення струму Ic характеризується лавинним пробоєм області р-n-переходів поблизу стоку по колу стік-затвор. Напруга пробою відповідає точці в.

Додаток до затвора зворотної напруги викликає звуження каналу і зменшення його початкової провідності. Тому початкові ділянки кривих, відповідних великим напругам на затворі, мають меншу крутизну наростання струму (рис. 4.2 б). Зважаючи на наявність напруги Uзв перекриття каналу об'ємним зарядом р-n-переходів відбувається при меншій напрузі і межі ділянок 1 і 2 відповідатимуть менші напруги стік-витік. Напругам перекриття каналу відповідають абсциси точок перетину стічних характеристик з пунктирною кривою, показаною на рисунок 4.2 б). При менших напругах наступає і режим пробою транзистора по колу стік-затвор.

затворі, при якому струм стоку близький до нуля. Воно відповідає напрузі замикання приладу по колу затвора і називається напругою замикання або відсічення Uзв0. Числове значення Uзв0 рівне напрузі Uсв в точці вольтамперної характеристики при Uзв = 0.

Вплив температури на характеристики і параметри польового транзистора є достатньо складним і обумовлюється температурною залежністю контактної різниці потенціалів φ0 і рухливості носіїв заряду (електронів і дірок). Зміна φ0 залежно від температури приводить до зміни напруги на переходах і їх ширини, а, отже, до зміни перетину струмопровідного каналу і його провідності. Із зростанням температури контактна різниця потенціалів φ0 зменшується, що позначається на збільшенні перетину каналу і підвищенні його провідності. Унаслідок зменшення рухливості носіїв заряду провідність каналу зменшується з підвищенням температури. Вплив температури по-різному виявляється в конкретних типах приладів цього класу. Температурна залежність характеристик і параметрів польових транзисторів приводиться в довідниках.

Польові транзистори з р-n-переходом можуть бути виготовлені сплавом або дифузією. На рисунку 4.3 зображений принцип пристрою дифузійного польового транзистора, виготовленого за планарно-епітаксиальною технологією.

86

На рисунку показаний канал р-типу. Області витоку і стоку звичайно робляться з підвищеною провідністю (електропровідність р+- типу), щоб зменшити даремне падіння напруги і втрату потужності в цих областях. Підвищену провідність має і область затвора (електропровідність n+-типа). Це забезпечує збільшення товщини замикаючого шару головним чином у бік каналу, тобто усилює управляючу дію затвора. Кристал транзистора є областю n-типа, від якої часто роблять вивід. Тоді кристал може бути використаний як додатковий затвор.

Сплавні польові транзистори є низькочастотними, а дифузійні можуть працювати на частотах до десятків і навіть сотень мегагерц.

Основними параметрами польового транзистора є:

–максимальный струм стоку Ic max;

–максимальна напруга стока Uсв max ;

–напруга відсічення Uзв0;

–внутрішній опір ri ;

–крутизна S ;

–коефіцієнт посилення μ ;

–вхідний опір rвх ;

–міжелктродні ємності затвор-витік Сзв, затвор-стік Сзс, стік-витік Ссв .

Максимальне значення струму стоку Ic max відповідає його значенню в то-

чці в на вихідних характеристиках (при Сзв = 0).

Максимальне значення напруги стік-витік Uсв max вибирають в 1,5-2 рази менше напруги пробою ділянки стік-витік при Uзв= 0.

Напрузі відсічення Uзв0 відповідає напруга на затворі при струмі стоку, близькому нулю.

Внутрішній опір ri = dUсв / dIc (при Uзв = const) транзистора характеризує нахил вихідної характеристики на ділянці 2 (рис.4.2 б).

Крутизна стоко-затворної характеристики S = dIс / dUзв (при Uзв =

Коефіцієнт посилення μ показує в скільки разів сильніше діє на струм стоку зміна напруги затвора, ніж зміна напруги стоку і визначається по формулі

гає сотень і навіть тисяч. В початковій області цих характеристик, коли вони йдуть круто, значення всіх трьох параметрів зменшуються.

Вхідний опір rвх = dUзв / dIз транзистора визначається опором р-n- переходів, зміщених у зворотному напрямі. Вхідний опір польових транзисторів з р-n-переходом досить великий, що вигідно відрізняє їх від біполярних транзисторів.

Міжелектродні ємності Сзв і Сзс пов'язані головним чином з наявністю в приладі р-n-переходів, що примикають відповідно до витоку і стоку.

Подібно біполярним транзисторам польовий транзистор можна включити по одній з трьох основних схем. На рисунку 4.1 показана найуживаніша схема включення із загальним витоком (ЗВ), аналогічна схемі із загальним емітером. Каскад із загальним витоком дає дуже велике посилення струму і потужності і перевертає фазу напруги при посиленні оскільки звичайно Rн << ri, то коефіцієнт посилення каскаду по напрузі можна порахувати по формулі k ≈ S · Rн.

На рисунку 4.4 показана еквівалентна схема (схема заміщення) польового транзистора для включення його із загальним витоком. Оскільки rвх дуже велике, то його можна не враховувати. Для низьких частот в багатьох випадках можна виключити з схеми. Генератор струму S ·Um вх відображає посилення, що дається транзистором, а опір ri є опором каналу змінному струму, тобто вихідний опір каналу. До вхідних затисків підключається джерело коливань, а до вихідних – навантаження.

Рисунок 4.4

88

4.2.2 Транзистори зі статичною індукцією

Польовий транзистор на основі структури, показаної на рисунку 4.5, отримав назву – транзистор із статичною індукцією (СІТ). Структура СІТ характеризується дуже коротким каналом і малою відстанню від витоку до затвора (близько 10 мм); підвищення потужності СІТ забезпечується багатоканальною будовою структури, малими розмірами областей затвора, близьких формою до циліндра (діаметр близько 25 мкм). Цей прилад має вихідні характеристики, які є відмінними від вихідних характеристик, розглянутих раніше транзисторів. Біполярний транзистор, МДН-транзистор, ПТУП з горизонтальним каналом мали в активній області пологу вихідну характеристику. Вихідна характеристика СІТ не має області насичення струму стоку, тобто вихідний опір СІТ достатньо малий, що значно підвищує енергетичні показники лінійних підсилювачів потужності на основі СІТ.

Рисунок 4.5

На рисунку 4.6 представлено сімейство вихідних характеристик СІТ. За відсутності напруги на затворі опір каналу мінімальний і із зростанням напруги Uсв струм стоку збільшується, але обмеження Ic не наступає. Малий затвор і короткий канал приводить до якісної зміни фізичних процесів в каналі СІТ в порівнянні з ПТУП з горизонтальним каналом. Вплив напруги стоку на канал в СІТ протилежно цьому впливу в ПТУП: із зростанням Uсв напруженість гальмуючого поля біля витоку зменшується, відповідно знижується потенційний

подолати потенційний бар'єр φ, збільшується, в результаті струм стоку Ic росте із зростанням напруги Uсв. Чим більше напруга затвора Uзв, тим більш напруга Uсв, що необхідна для компенсації його замикаючої дії, і вихідні характеристики СІТ із зростанням Uзв зсовуються управо. При повному зникненні φ струм стоку визначається опором каналу і росте пропорційно напрузі Uсв.

2

1

Рисунок 4.6

Вихідні характеристики СІТ при малих струмах стоку в першому наближенні описуються експонентою

Ic =I0 −η (U зв −ϕUтсв / μ* ) ,

де μ* = ∂Uсв ∂U зв (при Ic= соnst) - коефіцієнт посилення транзистора;

I0 - постійна, має розмірність струму і залежна від параметрів структури;

η- коефіцієнт, залежний від параметрів каналу;

ϕт - тепловий потенціал.

При великих струмах стоку потенційний бар'єр знижується і вихідні характеристики СІТ відхиляються від експоненціальної залежності, наближаючись до лінійної унаслідок негативного зворотного зв'язку через rі :