Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Здесь приведены входная характеристика iб = f(uбэ) и семейство выходных характеристик iк = f(uкэ) биполярного транзистора с приведением нагрузочной прямой линии Rк схемы. Выходным сигналом схемы является напряжение uкэ = f(t), а входным — напряжение uбэ = f(t). Напряжение Uбэ0, обеспечивающее работу транзистора в линейной области входной характеристики, формируется соответствующим выбором сопротивлений резисторов Rб1, Rб2 входного делителя напряжения.

Диаграммы показывают, что режим линейного преобразования входного выходного сигнала в выходной транзисторного каскада выполняется в области выходных характеристик, когда при заданном значении тока базы iб ток коллектора iк не зависит от напряжения uкэ. То есть для семейства выходных характеристик iк = f(t) рисунка 2.29 этот режим относится к линиям тока коллектора, которые параллельны оси uкэ.

Для того чтобы обеспечивать линейное усиление входного сигнала, необходимо выполнение условия

где Uсм — напряжение смещения рабочей точки, задаваемое коэффициентом передачи входного резистивного делителя напряжения

Rб1, Rб2 схемы.

Схема рисунка 2.28 является наиболее простой, в которой выполняются функции усиления переменного напряжения. Практически она не обладает свойствами температурной стабильности ее функционирования, так как параметры полупроводниковых приборов, в частности, напряжение uбэ существенно зависят от температуры корпуса транзистора. Поэтому существует большое разнообразие более сложных схем транзисторных усилителей, в которых предпринимаются специальные меры по снижению влияния температурной нестабильности работы усилителя.

2.3.1.3. Импульсный режим работы биполярного транзистора

Импульсный режим работы биполярного транзистора выполняет нелинейную импульсную функцию преобразования входного сигнала в выходной. Схема включения и временные диаграммы работы подобного каскада приведены на рисунке 2.30, а и б соответственно.

51

2.Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Вотличие от рассмотренного выше линейного режима работы транзистора, работа импульсного транзисторного ключа не может быть описана одной эквивалентной схемой. Здесь имеются два качественно и количественно отличающихся состояния биполярного транзистора: режим отсечки и режим насыщения.

iб

Рисунок 2.30 — Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

Анализ работы транзистора в режиме насыщения выполняется при помощи метода заряда. Упрощенно сущность его заключается в том, что накопление избыточных зарядов в полупроводниковой структуре транзистора, вызывающее прямое смещение обоих p-n переходов, эквивалентно представляется в виде конденсатора, инерционность процессов заряда и разряда которого и обусловливают инерционность процессов переноса зарядов, следовательно,

ибыстродействие транзисторного ключа.

Врежиме отсечки примем, что транзисторVT закрыт, и ток, протекающий через него, пренебрежимо мал. В режиме насыщения ток коллектора не зависит от тока базы, определяется напряжением источника питания Еп и сопротивлением в цепи коллекто-

52

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

ра: Iк = Еп/Rк. Таким образом, в режиме насыщения величина тока базы iб не устанавливает значения тока коллектораiк, что определяет, как было показано выше, равенство H21э = 0.

Подача на вход ключа «идеального» прямоугольного импульса тока базы длительностьюtи и амплитудой Iб1 (рисунок 2.30, б) обусловливает появление фронта нарастания тока коллектора, длительность которого определяется выражением

где tж — время жизни избыточных зарядов, является параметром, определяемым геометрией полупроводниковой структуры и технологическими процессами ее изготовления.

Далее, в соответствии с временными диаграммами, после процесса установления тока коллектора Iк транзистор VT входит в режим насыщения и напряжение на нем становится равнымUкэ нас, величина которого определяется рассмотренной выше степенью насыщения биполярного транзистора

После окончания импульса тока базы наступает этап рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры VT, который обусловливает продолжающее открытое состояние транзистора. Рассмотрим интервал времени tрасс; его длительность находится из выражения:

где tнак — постоянная времени накопления зарядов в полупроводниковой структуре, этот параметр так же, как и tж, является параметром полупроводниковой структуры VT; Iб2 — рассасывающий ток базы транзистора.

Каквидноизвыражения(2.31),дляуменьшениядлительностиинтервала времени tрасс требуется увеличение амплитуды импульса Iб2. Для создания бóльшего значения Iб2 применяют специальные схемы повышения быстродействия работы транзисторных ключей за счет использования активных или пассивных методов рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры биполярного транзистора.

53

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Применение пассивных методов рассасывания зарядов основано на снижении сопротивления в цепи база-эмиттер, когда избыточные заряда являются источником энергии для возникновения тока Iб2 на этапе времени tрасс. Активные методы уменьшения времени рассасывания заключаются в создании токаIб2 от постороннего источника энергии.

По прошествии времени рассасывания tрасс ток коллектора начинает снижаться и длительность его спада:

-I б2

Если для линейного режима работы биполярного транзистора энергетическим фактором, ограничивающим возможности его применения, является мощность Рк max (см. рисунок 2.23, б), то схемы импульсных транзисторных ключей рассеивают существенно меньшую мощность за счет реализации режима насыщения транзисто-

ра, где напряжение Uкэ нас снижено.

Основные параметры биполярных транзисторов:

—максимально допустимое напряжение «коллектор-эмиттер»

Uкэ max;

—максимальное обратное напряжение перехода «база-эмиттер»

Uбэ обр;

—максимально допустимый ток коллектора Iк max;

—максимальный обратный ток перехода «база-коллектор» Iкб0;

—максимально допустимая мощность, рассеиваемая транзи-

стором P

кmax;

—коэффициент передачи тока в режиме большого сигнала H21э,

вредких случаях задается параметрh21э для режима малого сигнала;

—время рассасывания tрасс избыточных зарядов;

—напряжение «коллектор-эмиттер» в режиме насыщения Uкэ нас;

—модуль коэффициента передачи тока |h21э| при заданной частоте fт;

—для линейного режима работы транзистора задается посто-

янная времени rбСк, которая обусловливает закономерности снижения усилительных свойств на высоких частотах.

54

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

2.3.2. Полевые транзисторы

2.3.2.1. Общие сведения и характеристики

Полевые транзисторы были разработаны как альтернатива биполярным транзисторам. Биполярные транзисторы, наиболее широко применявшиеся в электронике за последнее время, имеют ряд недостатков, к основным из которых можно отнести следующие.

1.Токовое управление транзистором, что не позволяет управлять транзистором от источника напряжения и приводит к потерям мощности в цепи управления.

2.Малый коэффициент усиления по токуH21э, величина которого имеет существенно меньшие величины у транзисторов большой мощности.

3.Большой разброс значенийH21э с учетом технологических

итемпературных факторов.

4.Наличие времени рассасыванияtрасс и его существенная зависимость от режимов работы, что ограничивает быстродействие электронных устройств.

5.Недостаточно высокая надежность работы при больших величинах переключаемых токов и напряжений.

Вполевых транзисторах указанные недостатки практически устранены.

Рассмотрим принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором, которые нашли наиболее широкое применение в маломощной информационной и мощной силовой электронике. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом в современной электронике практически не применяются.

Устройство полупроводниковой структуры полевого транзистора с изолированным затвором и его стокозатворная характеристика приведены на рисунках 2.31, а и б соответственно.

Вполевых транзисторах регулирование выходного тока производится изменением сопротивления проводящего канала в полупроводнике с помощью электрического поля. Другое название полевых транзисторов — униполярные — отражает их основную особенность: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, в отличие от биполярных, где существуют два типа зарядов: дырки и электроны.

55

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (С) и истоком (И), а управляющий электрод называется затвором (З). Подложка (П) обычно соединяется с истоком транзистора. Металлический электрод затвора изолирован от полупроводникового канала слоем диэлектрика из двуокиси кремния SiO 2, обладающим сопротивлением сотни МОм и более. Так как этот слой установлен между затвором и полупроводником структуры транзистора, то входное сопротивление полевого транзистора также велико, и это его радикальное положительное отличие от биполярного транзистора. Большое входное сопротивление обусловливает, что для включения полевого транзистора не требуется затрат мощности, и мощность управления полевым транзистором в статическом режиме приближается к нулю.

Принцип работы полевого транзистора заключается в следующем. При подаче входного напряжения между затвором и истоком uзи (рисунок 2.31, а) в пространстве между металлическим затвором и полупроводником создается электрическое поле, напряженность которого зависит от толщины диэлектрика и подаваемого напряжения. Толщина диэлектрика мала: несколько микрон. Появление электрического поля достаточной напряженности приводит к появлению проводящего канала в полупроводнике. Причем чем больше величина напряжения между затвором и полупроводником, что соответственно приводит к увеличению напряженности электрического поля, тем ширина проводящего канала будет больше. Это увеличение ширины канала показано стрелкой в полупроводнике на структурной схеме полевого транзистора рисунка 2.31, а. Если к электродам «сток-исток» подключается внешнее

56

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

напряжение, то это приводит к появлению и дальнейшему увеличению тока стока Iс.

Так как в полевом транзисторе затвор изолирован от слоя полупроводника диэлектриком, то они называются МОПили МДПтранзисторами (металл-окисел-полупроводник или металл-диэ- лектрик-полупроводник соответственно). Причем первое обозначение МОП чаще применяется в маломощной (информационной) электронике, а второе — МДП — в силовой. В системе иностранных обозначений — это MOS-транзисторы (metal-oxide-semiconductor).

С точки зрения процессов работы полевых транзисторов, все эти условные обозначения равноценны.

Так как толщина слоя изоляции между затвором и полупроводником очень мала, то даже при небольших величинах напряжения между затвором и истоком, порядка единиц вольт, напряженность электрического поля в полупроводнике оказывается очень большой. Это обусловливает эффективное управление током стока транзистора, то есть даже малые изменения управляющего напряжения между затвором и истоком uзи приводят к существенному изменению тока стока полевого транзистора. При малых напряжениях затвор-исток напряженность электрического поля может оказаться недостаточной для создания проводящего канала. Это обусловливает появление такого нормативного параметра, как пороговое напряжение Uзи пор, показанного на графике стокозатворной характеристики рисунка 2.31, б.

Эта характеристика является функционально аналогом входной характеристики биполярного транзистора, то есть зависимостью тока стока Iс (выходного параметра транзистора) от входного параметра — напряжения затвор-исток Uзи. Однако эта характеристика радикально отличается от входной характеристики биполярного транзистора наличием напряжения Uзи пор, которое определяет

значение тока стока Iс = 0 при Uзи < Uзи пор. Это в некоторых случаях вызывает определенную специфику разработки и функциони-

рования транзисторных каскадов на полевых транзисторах, которая рассмотрена далее.

Основным параметром полевого транзистора, определяющего его усилительные свойства, является крутизна характеристикиS, которая определяется:

57

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

У этого параметра, в отличие от коэффициента H21э биполярного транзистора, появляется размерность, определяемая тем, что здесь входным параметром является напряжение, а не ток, что имеет место у биполярного транзистора.

Как видно из сравнения двух стокозатворных характеристик (рисунок 2.31, б), крутизна характеристик S1 > S2, что определяет большую степень усиления сигнала полевым транзистором при больших значениях крутизны характеристики.

Практически величины этого параметра лежат в переделах от несколькихдесятковмА/Вдонесколькихсотен.Причемвотличиеотбиполярного транзистора, увеличение мощности МОП-транзистора, то есть увеличение его максимально допустимого тока стока приводит к увеличению крутизны характеристики. Например, транзистор с Iс max = 20 А может иметь S = 500 мА/В, а если транзистор

имеет Iс max = 10 мА, то для него S = 8 мА/В.

С точки зрения электрических процессов, происходящих в структуре транзистора, подобное свойство полевого транзистора объясняется тем, что более мощному транзистору соответствует увеличение площади кристалла, а это обусловливает увеличение напряженности электрического поля между полупроводником и затвором, приводящее к увеличению S.

Это положительное свойство полевого транзистора является важным преимущественным фактором при применении подобных транзисторов в мощных силовых преобразовательных системах и устройствах.

Так как у полевого транзистора имеется специфический параметр Uзи пор, то необходимо учитывать, что справедливость существования реального значения коэффициентаS лежит в области Uзи > Uзи пор. При обратном знаке этого неравенства практически будем иметь S = 0, что означает неработоспособность рассматриваемого вида полевого транзистора.

Полупроводниковый канал между стоком и истоком полевого транзистора может быть обеднен или обогащен носителями зарядов. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает проводимость канала, поэтому такой канал называется индуцированным. Этот полевой транзистор — нормально закрытый полупроводниковый прибор, который открывается при подаче напряжения между затвором и истоком. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным, то есть транзистор проводит электрический ток в отсутствие напряжения между затво-

58

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

ром и истоком. Подача напряжения на затвор приводит к обеднению канала носителями зарядов, то есть к запиранию транзистора. Такой транзистор является нормально открытым полупроводниковым прибором. Описанные факторы определяют основные и принципиальные различия этих двух типов полевых транзисторов. Необходимо отметить, что в классе биполярных полупроводниковых приборов нормально открытых транзисторов не существует. Это определяет бóльшие функциональные возможности применения полевых транзисторов в электронных схемах.

Проводимость проводящего полупроводникового канала полевого транзистора может быть электронной и дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется транзистором с n-каналом. Каналы же с дырочной проводимостью называются p-каналами.

Вследствие этого полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналомn- или p-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематические изображения этих транзисторов, которые далее будем обозначать аббревиатурой МОП, с соответствующими стокозатворными характеристиками приведены на рисунке 2.32.

Рисунок 2.32 — Условное обозначение видов полевых транзисторов

с соответствующими стокозатворными характеристиками

59

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Как видно из схем и характеристик рисунка 2.32, существуют четыре вида МОП-транзисторов, которые отличаются полярностями напряжения Uси,подаваемыминаэлектродысток-исток,направлени- ем протекания тока стока Iс и видом стокозатворных характеристик.

Транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 2.32,а, в) в определенной степени являются аналогами биполярных транзисторов, но с наличием порогового напряжения Uзи пор, которое существенно превышает начальное напряжение включения биполярного транзистора Uбэ0. Так, например, типичная величина порогового напряжения МОП-транзисторов составляет Uзи пор = 5–15 В, а для биполярного транзистора — Uбэ0 = 0,2–0,3 В.

МОП-транзисторы со встроенным каналом (рисунок 2.32,б, г) являются полупроводниковыми приборами, первоначально имеющими проводящий канал. При Uзи = 0 начальный ток стока равен Iс нач. Для запирания транзистора на затвор необходимо подать запирающее напряжение (напряжение отсечки) обратной полярности Uзи отс, а дальнейшее увеличение напряжения Uзи другой полярности приводит к увеличению тока стока Iс.

С точки зрения полярности питающего и управляющего напряжений, МОП-транзисторы с n- и p-каналом являются в определенной степени аналогами n-p-n и p-n-p биполярных транзисторов. То есть полярность питающего и управляющего напряжений для первых двух схем рисунка 2.32, а — положительная, а для вторых — отрицательная. Далее будут рассматриваться полевые транзисторы только с индуцированным n-каналом, как было сделано ранее при сравнении работы n-p-n и p-n-p биполярных транзисторов, тем более что МОП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа нашли широкое применение в электронных схемах.

Как было показано выше, стокозатворные характеристики МОПтранзистора функционально являются аналогами входной характеристики биполярного транзистора (рисунок 2.23, б).

На графиках рисунка 2.33 изображены выходные характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналомn-типа. Качественно они аналогичны выходным характеристикам биполярных транзисторов, рассмотренных ранее. Здесь, как и у биполярного транзистора, имеет место линия (парабола) максимально допустимой мощности, рассеиваемой транзистором —Рс max. Она изображена пунктирной линией. Показанные на графиках величины напряжений «затвор-исток» транзистора соотносятся между собой как

Uзи1 < Uзи2 < Uзи3 < Uзи4.

60