Введение в электронику. Учебное пособие

Рисунок 2.33 — Выходные характеристики МОП-транзистора

с индуцированным каналом n-типа

Схемы включения полевых транзисторов в электронных схемах могут быть двух типов: с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС). Функционально они аналогичны схемам ОЭ и ОК включения биполярных транзисторов. Далее будем рассматривать МОПтранзисторы, работающие в схеме ОИ, и с индуцированным каналом. Как и биполярный, полевой транзистор может работать в линейном режиме и в импульсном.

2.3.2.2. Линейный режим работы МОП-транзистора

При рассмотрении работы МОП-транзистора в линейном режиме необходимо, как и в случае биполярного транзистора, отметить два отличных режима. Первый из них заключается в усилении входного сигнала постоянного (однополярного) напряжения, второй — в усилении переменного входного напряжений.

На рисунке 2.34, а, б приведены схема усилителя однополярного постоянного напряжения на МОП-транзисторе и временные диаграммы его работы соответственно.

Внешне и качественно эти временные диаграммы рисунка 2.34, б схожи с диаграммами работы биполярного транзистора. Однако имеются отличия, связанные с тем, что у МОП-транзистора имеется пороговое напряжение Uзи пор.

Предположим, что в момент времени t0 на вход транзистора VT поступает линейно нарастающее напряжениеuзи. Но ток стокаIс появится только после того, как напряжение на затворе достигнет величины Uзи пор (момент времени t1). Далее одновременно с увеличением тока iс происходит снижение напряжения uси.

61

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Когда увеличивающееся напряжение на затворе достигнет значения Uзи1, ток стока становится равным

При этом величина остаточного напряжения на транзисторе становится равной

Очевидно, что условием неискаженного усиления сигнала, то есть работы транзисторного каскада в линейном режиме является выполнение неравенства

С окончанием длительности входного импульсаUзи ток стока прекращается и транзистор запирается (момент времени t2).

Рисунок 2.34 — Схема усилителя постоянного напряжения на МОП-транзисторе (а) и временные диаграммы его работы (б)

Как видно из временных диаграмм рисунка 2.34, б, существование напряжения Uзи пор обусловливает появление временной задерж-

62

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

ки tзд, что является определенным недостатком подобного транзисторного каскада. Устранение его достигается смещением рабочей точки на стокозатворной характеристики путем введения делителя напряжения, подключаемого на вход МОП-транзистора.

Это показано на схеме рисунка 2.35, при этом соотношение сопротивлений резисторов схемы выбирается из выражения:

R2

Рисунок 2.35 — Схема смещения рабочей точки входной цепи МОП-транзистора

По аналогии с временными диаграммами работы усилителя переменного напряжения на биполярном транзисторе (рисунок 2.29), аналогичный усилитель реализуется и на МОП-транзисторе. Для этого на входе схемы (рисунок 2.35) устанавливается разделительный конденсатор. В этом случае временные диаграммы работы усилителя будут иметь вид, представленный на рисунке 2.36.

Диаграммы рисунка 2.36 отличаются от диаграмм рисунка 2.29 тем, что здесь входной характеристикой усилительного каскада является стокозатворная характеристика МОП-транзистора. Условием линейного, то есть неискаженного усиления входного сигнала, является выполнение неравенства:

63

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Таким образом, на МОП-транзисторе, как и на биполярном транзисторе, возможна реализации усилителя входного сигнала постоянного и переменного напряжений при соответствующей различной реализации входных цепей.

Uвх(+)

Uвх(–)

Uзи

»Uвых

»Uвх

uкэ

Рисунок 2.36 — Временные диаграммы работы усилителя переменного напряжения на МОП-транзисторе

Вследствие большого входного сопротивления МОП-транзистора ведение делителя напряжения R1, R2 не вызывает негативных последствий на возможность шунтирования входного сигнала. Например, их величины могут составлять величины в несколько МОм.

Стокозатворная характеристика МОП-транзистора обладает, в отличие от входной характеристики биполярного транзистора, существенно большей линейностью. Наравне с общим положительны свойством такого транзистора это послужило широкому их применению в высококачественных усилителях звуковой частоты.

64

б)

Рисунок 2.37 — Схема включения МОП-транзистора (а)

в импульсном режиме и временные диаграммы его работы (б)

65

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Принципиально их наличие обусловлено специфической реализацией структуры МОП-транзистора, в которой расстояния между затвором и полупроводником составляет единицы микрон, что и приводит к существованию значительных по величине межэлектродных емкостей.

Рассмотрим в качестве примера влияние одной из них — емкости Сзи — на работу схемы, представленной на рисунке 2.37, а. Она обусловливает появление задержек времениtз1, tз2 и tз3, показанных на временных диаграммах рисунка 2.37,б. Входная цепь полевого транзистора VT может быть представлена эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 2.39.

Zпар

Сзи eген

Рисунок 2.39 — Эквивалентная схема входной цепи МОП-транзистора

Предположим, что генератор eген вырабатывает идеальные прямоугольные импульсы, а сопротивление Zпар является паразитным сопротивлением соединительной линии, печатным проводником, внутреннего сопротивления генератора и др., куда входят как активная составляющая сопротивления, так и реактивная. Очевидно, что паразитное сопротивлениеZпар и входная емкость МОПтранзистора Сзи образуют интегрирующую цепь с постоянной времени tвх = Rпар Сзи. Следовательно, длительность фронта нарастания и длительность спада входного сигнала uзи увеличиваются, что обусловливает появление указанных временных задержек и трапецеидальной (вместо идеальной прямоугольной) формы входного на-

пряжения uзи.

Как видно из временных диаграмм рисунка 2.37, при наличии входногоимпульсадлительностью tиз навыходебудемиметьвыходной трапецеидальный импульс другой длительности — tис. Кроме того, появляется задержка фронта выходного импульса: tз1,2 = tз1 + tз2. Это определяет искажение преобразуемой информации, что наиболее значимо в высокочастотных устройствах и системах электроники.

66

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

Реальные процессы, происходящие в рассматриваемом транзисторном каскаде, более сложны. В частности, если величина сопротивления Rс велика, то наличие емкости Ссз может вызвать повторное открывание транзистора после его запирания. Емкость Cси вызывает увеличение длительностей фронтов и спадов импульсов напряжения uси.

Так как полевые транзисторы по принципу действия, в отличие от биполярных, являются униполярными, то у них отсутствует эффект накопления и последующего рассасывания зарядов. Это видно из приведенных временных диаграмм рисунка 2.37. Подобное свойство определяет более высокое быстродействие полевых транзисторов по отношению к биполярным. Однако, как будет показано далее, это не всегда может быть реализовано практически.

Полностью открытое состояние VJG-транзистора, которое физически отличается от режима насыщения биполярного транзистора, достигается при выполнении условия:

где Nпт — коэффициент, эквивалентный коэффициенту насыщения N биполярного транзистора.

Привыполненииэтогоусловиядлярассматриваемоготранзисторного ключа будем иметь S = 0, так как изменения напряженияUзи не будут приводить к изменению тока стока, который определяется: Iс = Еп/Rс. Здесь можно провести определенную функциональную аналогию с биполярными транзисторами, для которых в режиме насыщения имеет место равенство H21э = 0. Однако это выполняется при условии Rси откр << Rс, что обычно делается на практике для мощных и маломощных МОП-транзисторов.

Если у биполярного транзистора падение напряжения в состоянии насыщения оговаривается нормативным параметромUкэ нас, то для полевого транзистора принят другой параметр, называемый сопротивлением канала в открытом состоянии, — Rоткр. Для существующих транзисторов это сопротивление лежит в пределах от единиц Ом (для маломощных транзисторов) до единиц-десятков миллиом (для мощных транзисторов). Причем более высоковольтным полевым транзисторам соответствуют бóльшие величины сопротивлений Rоткр. Очевидно, что это сопротивление определяет показанное на временных диаграммах рисунка 2.37, б значение падения

67

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

напряжение Uси откр и чем оно меньше, тем больше энергетическая эффективность работы транзисторного ключа.

Основные параметры полевых транзисторов:

—максимально допустимое напряжение «сток-исток» Uси max;

—максимально допустимый ток стока Iс max;

—максимально допустимая мощность, рассеиваемая транзи-

стором P

сmax;

—крутизна характеристики S;

—межэлектродные емкости Сзи, Ссз, Сси;

—время задержки включенияtзад вкл, время задержки выключения tзад выкл, время нарастания тока стока tнар, время спада тока стока tсп;

—сопротивление канала в открытом состоянии Rси откр;

—пороговое напряжение электродов «затвор-исток»Uпор или напряжение отсечки Uотс (тогда задается начальный ток сто-

ка Iс нач).

2.3.4. Фототранзисторы

Все полупроводниковые приборы, действие которых основано на преобразовании оптических сигналов в электрические и наоборот, могут быть реализованы только на биполярных структурах.

Фототранзистор сочетает в себе свойства биполярного транзи-

68

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

проводящими материалами. Это обстоятельство служит причиной радиационной нестойкости практически всех полупроводниковых приборов, что является важной проблемой для электронной аппаратуры военного назначения.

Оптическое излучение Ф, воздействуя на переход «эмиттер-база» фототранзистора, за счет появления фото ЭДС на p-n переходе вызывает его открывание, что приводит к появлению тока коллектора и соответствующему изменению выходного напряжения uвых = uкэ.

Приведенная схема может работать как в линейном, так и в импульсном режиме. Причем линейный режим работы обладает худшей температурной стабильностью. Поэтому на практике используется импульсный режим работы фототранзистора.

Преимущество фототранзистора перед фотодиодом заключается в более высокой чувствительности схемы, то есть меньшие величины изменения излучения DФ вызывают бóльшие изменения выходного напряжения Duвых.

Для приведенной схемы коэффициент передачи рассматриваемой схемы:

Величина сопротивления резистора Rб определяется двумя противоречивыми факторами. При увеличении сопротивления Rб повышается чувствительность устройства за счет того, что меньшая часть тока, создаваемая в переходе «база-эмиттер» фототранзистораVT, ответвляется в резистор Rб. Однако уменьшение сопротивления Rб повышает стабильность работы устройства при технологическом разбросе параметров VT и при изменении температуры окружающей среды. Поэтому необходимость увеличения или уменьшения величины резистора Rб определяется конкретными техническими требованиями, выдвигаемыми при разработке электронной схемы с применением фототранзистора.

Для улучшения температурной стабильности работы схемы с фототранзистором применимы те же схемотехнические способы, которые используются в традиционных транзисторных усилителях постоянного или переменного тока.

69

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

2.3.5. Тиристоры

2.3.5.1. Общие сведения и характеристики

Тиристор состоит из четырехслойной полупроводниковой структуры, что показано на рисунке 2.41,а. Условное изображение тиристора в электронных схемах приведено на рисунке 2.41, б.

Принцип действия тиристора можно рассмотреть на примере работы его эквивалентной схемы изображенной на рисунке 2.41,в, где обозначения электродов: А — анод, К — катод, УЭ — управляющий электрод.

Рисунок 2.41 — Структура тиристора (а), его условное обозначение (б) и транзисторная эквивалентная схема тиристора (в)

Основное функциональное и принципиальное отличие тиристора от транзисторов заключается в том, что тиристор — не полностью управляемый полупроводниковый прибор. При подаче на УЭ короткого импульса тока управления iупр тиристор включается и продолжает оставаться открытым и после прекращения действия импульса iупр. Для его запирания необходимо использовать специальные схемотехнические решения, которые будут рассмотрены далее. Это определяет возможность работы тиристора только в качестве импульсного ключа, имеющего два состояния: включено и выключено.

70