Электротехника и Схемотехника / 51-68-pravka (1)

69

Все положения, рассмотренные ранее для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n-переход, и результирующие токи равны нулю.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Работу транзистора в активном режиме рассмотрим на примере p-n-p- структуры (рис. 4.2).

П ри подключении к электродам транзистора напряжений U_ЭБ и U_КБ эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Под действием напряжения эмиттер-база основные носители заряда эмиттера (дырки) преодолевают эмиттерный переход. Навстречу им диффундирует значительно меньшее количество основных носителей базы (электронов), поскольку концентрация примеси в базе намного меньше, чем в эмиттере, и объемное сопротивление базы выше сопротивления эмиттера. Часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами вблизи эмиттерного перехода, а остальные инжектируются (впрыскиваются) в базовую область.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда (дырки) движутся от эмиттерного перехода к коллекторному под действием этого поля. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы (в реальных транзисторах 0,1  0,001 дырок, покинувших эмиттер). Остальные достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение коллектор-база и с ускорением перебрасываются в коллектор электрическим полем коллекторного перехода.

Таким образом, основные носители заряда, покидающие эмиттер, частично теряются в переходе П1 и базе на рекомбинацию. Эти потери составляют ток базы I_Б. Остальные достигают коллектора, рекомбинируя с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде электронного тока I_К коллектора. Перевод дырок из эмиттерной области в область базы восполняется генерацией пар электрон-дырка в эмиттере и отводом электронов во внешнюю цепь в виде электронного тока I_Э эмиттера.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны между собой соотношениями

, (4.1)

, (4.2)

где  – статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Таким же соотношением связаны и приращения токов. При изменении тока эмиттера на  I_Э токи базы и коллектора изменятся соответственно на  I_Б и  I_К.

 I_Э =  I_Б +  I_К,

что позволяет использовать активный режим работы транзистора для усиления сигналов. Так, если на эмиттерный переход, кроме постоянного напряжения, подать переменное напряжение сигнала ±U_ЭБ, то в эмиттерной цепи появится ток I_Э ±  I_Э. Соответственно в коллекторном токе появится переменная составляющая ± I_К. При включении в цепь коллектора резистора нагрузки R_К на нем образуется падение напряжения U_Rк ± U_Rк, переменная составляющая которого U_Rк= I_К R_К, во много раз большая входного сигнала ±U_ЭБ, и будет усиленным сигналом.

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такой режим работы транзистора называется инверсным. В инверсном режиме транзистор работает так же, как и в активном, но из-за того, что физические размеры коллектора и эмиттера существенно отличаются, отличаются и их ВАХ в этих режимах.

В режиме насыщения на оба перехода транзистора подают прямые напряжения такой величины, что сопротивления обоих переходов уменьшаются почти до нуля. В этом режиме транзистор эквивалентен замкнутому ключу.

В режиме отсечки на оба перехода транзистора подают обратные напряжения, т.е. транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением. В этом режиме он эквивалентен разомкнутому ключу.

Величины токов эмиттера, базы и коллектора зависят от напряжений, приложенных к электродам транзистора. В зависимости от способа подключения источника входного сигнала U_вх и сопротивления нагрузки R и того, какой из электродов транзистора является для них общим, различают схемы включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схемы включения показаны на рис. 4.3, а, б, в соответственно. На схемах указаны полярности напряжений источников питания, обеспечивающих работу n-p-n-тран­зистора в активном режиме.

Зависимости токов электродов транзистора от приложенных напряжений отражаются статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ) – входными и выходными. Рассмотрим поведение ВАХ на примере n-p-n-транзисторов

Входные ВАХ транзистора в схеме с общей базой – зависимость тока эмиттера I_Э от напряжения эмиттер-база U_ЭБ при различных напряжениях между коллектором и базой U_КБ – показаны на рис. 4.4, а. Эти характеристики по форме близки к соответствующей характеристике p-n-перехода. При увеличении напряжения U_КБ снижается энергетический барьер в эмиттерном переходе, усиливается инжекция электронов из области эмиттера в область базы и встречная инжекция дырок и ток эмиттера возрастает. Поэтому входные характеристики при больших напряжениях U_КБ смещены влево.

Выходные ВАХ транзистора в схеме с общей базой – зависимость тока коллектора I_К от напряжения U_КБ при различных токах эмиттера – показаны на рис. 4.4, б. При положительном напряжении на коллекторе ток I_К слабо зависит от U_КБ и изменяется пропорционально изменению тока эмиттера I_Э. Однако при I_Э = 0 ток коллектора I_Ко  0. Его называют тепловым (обратным) током перехода база-коллектор.

П ри перемене полярности напряжения U_КБ транзистор насыщается, ток коллектора перестает зависеть от тока эмиттера, уменьшается до нуля и уже при долях вольта меняет направление. Такая зависимость тока I_К обусловлена тем, что в n-p-n-транзисторе при U_КБ > 0 через переход база-коллектор движутся только электроны, инжектируемые эмиттером в базу и попадающие на коллектор под влиянием поля коллекторного перехода. При смене полярности коллекторного напряжения появляется встречный поток носителей. Вследствие этого ток коллектора резко уменьшается. Равенство I_К = 0 означает, что составляющая тока коллектора, обусловленная движением носителей заряда из области эмиттера, равна составляющей, обусловленной движением носителей заряда из области коллектора.

Небольшое увеличение коллекторного и эмиттерного токов транзистора при увеличении напряжения коллектора U_КБ обусловлено зависимостью эффективной толщины слоя базы от U_КБ. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе толщина запирающего слоя увеличивается, примерно на столько же уменьшается эффективная толщина слоя базы, и все большая часть электронов, инжектируемых эмиттером, попадает в ускоряющее поле коллекторного перехода.

Токи транзистора связаны между собой соотношениями (4.1) и (4.2), где  – статический коэффициент передачи и тока в схеме с общей базой.  достигает 0,99 и более, т.е. очень близок к единице. Отличие  от единицы обусловлено наличием тока базы, являющимся составной частью тока эмиттера.

I_Э = I_К +I_Б,

I_Б = I_Э – I_К = (1 – ) I_Э. (4.3)

На рис. 4.5, а показаны входные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером – зависимость тока базы I_Б от напряжения U_БЭ.

П ри U_КЭ  U_БЭ (обычно эта ВАХ приводится при U_КЭ = 0) транзистор переходит в режим насыщения, когда в прямом направлении смещены оба перехода, поэтому при том же напряжении U_БЭ базовый ток увеличивается, так как через базу текут токи обоих переходов. При U_КЭ  U_БЭ коллекторный переход смещен в обратном направлении и напряжение на нем практически не влияет на прямой ток перехода база-эмиттер. Эти обстоятельства позволяют на семействе входных ВАХ приводить только две характеристики: одну при U_КЭ = 0, другую при U_КЭ равном одному, двум или пяти вольтам.

Выходные ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером показаны на рис. 4.5, б. Общий характер этих зависимостей аналогичен характеру обратной ветви ВАХ диода, так как большая часть напряжения U_КЭ падает на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении. Однако, в отличие от выходных характеристик схемы с общей базой, выходные характеристики схемы ОЭ имеют значительно больший наклон, то есть наблюдается большая зависимость выходного тока от выходного напряжения.

Так как управляющим током в схеме с общим эмиттером является ток базы, уравнение (4.2), связывающее токи транзистора удобно представить в виде:

. (4.4)

Выразив из этого уравнения ток коллектора через ток базы, получим:

. (4.5)

Здесь  – статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. Чем ближе коэффициент  к единице, тем больше коэффициент . Типовые значения  – от нескольких десятков до ста.

Характеристика при I_Б = 0 выходит из начала координат и имеет вид обратной ветви ВАХ диода. Этот режим работы транзистора равнозначен его работе с оборванной базой. Условие I_Б = 0 соответствует равенству нулю результирующего тока базы, складывающегося из тока источника U_БЭ и противоположного ему по направлению обратного тока перехода база-коллектор I_Ко. При этом в транзисторе от коллектора к эмиттеру протекает ток I_КЭо, называемый сквозным. Этот ток больше, чем I_Кбо:

I_КЭо = I_Ко +β I_Ко =(β +1) I_Ко. (4.6)

Это объясняется тем, что часть напряжения источника U_КЭ приложена к эмиттерному переходу в прямом направлении. Вследствие этого возрастает ток эмиттера и почти на столько же возрастает ток коллектора. При высоких температурах и использовании германиевых транзисторов с высоким  обрыв базы в работающей схеме может привести к выходу транзистора из строя из-за чрезмерно большого сквозного тока.

Если I_Б  0, выходные характеристики расположены выше, чем при I_Б = 0, и тем выше, чем больше ток I_Б. На выходных характеристиках схемы ОЭ четко видны две области. Справа от линии граничного режима – активная область, где эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Слева от линии граничного режима находится область насыщения, где оба перехода смещены в прямом направлении. Необходимо обратить внимание на то, что в этой схеме напряжение на переходе коллектор-база равно разности напряжений коллектор-эмиттер и база-эмиттер, т.е. U_КБ = U_КЭ – U_БЭ, поэтому насыщение транзистора наступает при положительном напряжении U_КЭ.

4.2. Полевые транзисторы

Полевыми или униполярными транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей, протекающих по приповерхностному слою полупроводника. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком и обозначают S (Source) или И. Электрод, через который носители заряда уходят из канала, называют стоком D (Drain) или С, управляющий электрод – затвором G (Gate) или З. От значения напряжения, приложенного между затвором и истоком, зависит проводимость канала, следовательно, и сила тока в нем.

Полевые транзисторы бывают двух типов: с управляющим p-n-переходом и с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком из двуокиси кремния SiO₂. Последние чаще всего называются МОП-(металл-окисел-полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик- полупроводник).

В МОП-транзисторах электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями заряда или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

П роводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются p-каналами. Таким образом, под общим понятием полевой транзистор скрывается шесть разных видов транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом с каналами n-типа и p-типа и четыре типа транзисторов с изолированным затвором – с каналами n-типа и p-типа, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал.

Условные графические обозначения (УГО) этих типов транзисторов приведены на рис. 4.6. Графическое обозначение транзистора содержит максимальную информацию об его устройстве. Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная – встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом. Структура такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 4.7. На рисунке показаны также основные носители заряда для каждой из областей полупроводника. Подложка – это та основа, на которой закреплена пластина полупроводника, образующая канал исток-сток. Подложка может быть непроводящей, тогда канал образуется между подложкой и единственным p-n-переходом, а может быть выполнена из такого же полупроводника, как и затвор. В этом случае обычно затвор электрически соединяется с подложкой. Пример именно такой конструкции показан на рис. 4.7. Между подложкой p-типа и затвором также p-типа образован канал n-типа. Между истоком и стоком полевого транзистора подается напряжение такой полярности, чтобы основные носители заряда (в канале n-типа это электроны) двигались по каналу в направлении от истока к стоку. К затвору относительно истока подключают отрицательное управляющее напряжение, которое запирает оба p-n-перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность которого зависит от величины приложенного напряжения. Чем больше это напряжение и, следовательно, сильнее электрическое поле, тем шире запирающий слой и уже канал. С уменьшением поперечного сечения канала уменьшается его проводимость и уменьшается ток в цепи исток-сток.

Таким образом, принцип действия полевого транзистора с p-n-переходом основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области пространственного заряда под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор-исток.

МДП-транзисторы. Устройство одного из видов МДП-транзисторов – полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа – показано на рис. 4.8. Металлический затвор изолирован от области полупроводника диэлектриком, в качестве которого обычно используется оксид кремния. В приповерхностном слое подложки из полупроводника p-типа образованы области стока и истока с n-проводимостью. Между подложкой и этими областями образуются истоковый и стоковый p-n-переходы, один из которых оказывается закрытым при любой полярности напряжения между истоком и стоком. Поэтому в исходном состоянии проводящий канал отсутствует.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхностного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия), т.е. образуется (индуцируется) проводящий канал n-типа. С повышением положительного напряжения на затворе концентрация электронов в индуцированном канале возрастает, растет проводимость канала, а следовательно, и ток стока через него. При снижении напряжения на затворе происходят обратные процессы: концентрация электронов в канале падает, и ток уменьшается. Напряжение на затворе, при котором ток становится равным нулю, называется пороговым напряжением.

Если в рассмотренной структуре вместо полупроводника p-типа использовать полупроводник n- типа и создать слои истока и стока p-типа, то получится транзистор с p-каналом. Ввиду того, что подвижность дырок меньше, чем подвижность электронов, быстродействие транзисторов с p-каналом ниже, чем быстродействие транзисторов с n-каналом, поэтому более широко применяют МДП-транзисторы с n-каналом. Исключение составляют интегральные схемы, в которых используют транзисторы дополняющих типов проводимости с n- и p-каналами. Такие сочетания МДП-транзисторов называются комплементарными (дополняющими) или КМОП-транзисторами.

Наряду с МДП-транзисторами с индуцированным каналом, изготавливают транзисторы с встроенным каналом. Такой канал представляет собой тонкий слой полупроводника на поверхности подложки с проводимостью противоположного типа, чем проводимость подложки. Встроенный n-канал пропускает ток при нулевом и небольших отрицательных напряжениях на затворе. Транзистор запирается только при достаточно большом отрицательном напряжении на затворе.

Стандартный набор ВАХ полевых транзисторов отличается от набора ВАХ биполярных транзисторов прежде всего потому, что у полевых транзисторов отсутствуют входные токи, а значит, и входные характеристики. Обычно для полевых транзисторов приводятся проходные (передаточные) характеристики – зависимость тока стока от напряжения между затвором и истоком при постоянном напряжении U_СИ – и семейство выходных характеристик – зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при различных напряжениях между затвором и истоком.

Передаточные характеристики рассмотрим на примере транзисторов с каналом n-типа (рис. 4.9).

Р ассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток стока I_С, что соответствует положительному напряжению между стоком и истоком U_СИ.

Характеристика полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при нулевом напряжении на затворе имеет максимальное значение тока, которое называется начальным I_Снач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U_отс становится близким к нулю. Проходные характеристики нелинейны и описываются выражением

. (4.7)

Характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_пор. Увеличение напряжения на затворе U  U_пор приводит к увеличению тока стока.

Характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет начальное значение тока I_С0. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Характеристики транзисторов с каналом p-типа имеют такой же вид. Различие лишь в полярности напряжений, прикладываемых к затвору и стоку. Для n-канала напряжения положительные; для p-канала – отрицательные.

Основным числовым параметром проходной характеристики полевого транзистора является крутизна характеристики, определяемая как отношение приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения между затвором и истоком:

.

Крутизна характеристики – величина размерная. Она обычно измеряется в мА/В. Значения крутизны для маломощных транзисторов лежат в диапазоне 110 мА/В, а у мощных полевых транзисторов могут достигать 2 А/В.

Крутизна характеристики – величина непостоянная. С ростом отрицательного смещения на затворе полевого транзистора с управляющим p-n-переходом крутизна уменьшается, в чем можно убедиться, продифференцировав выражение (4.7):

.

В ыходные характеристики рассмотрим на примере полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с каналом n-типа (рис. 4.10). На ВАХ можно выделить две области:

линейную – U_СИ  U_ЗИ – U_отс,

и насыщения – U_СИ  U_ЗИ – U_отс.

В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.

В области насыщения ВАХ идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке.

Резкое различие ВАХ в различных областях определяет и двоякое применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе. При U_ЗИ = 0 сопротивление промежутка сток-исток минимально. Для мощных МОП-транзисторов это сопротивление может быть очень малым – единицы-доли Ома. При U_ЗИ = U_отс сопротивление канала сток-исток стремится к бесконечности. Таким образом, при работе в линейной области полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать достаточно большой ток (до 10 А и выше).

3. Эквивалентные схемы транзисторов

В электронных схемах на электроды транзистора подают постоянные питающие напряжения, задавая таким образом положение рабочей точки на его ВАХ. Если при этом на усилительный элемент поступает еще и переменное напряжение  входной сигнал, то по отношению к этому сигналу он ведет себя как активный четырехполюсник. При малых амплитудах сигнала этот четырехполюсник можно считать линейным и представить одной из линейных эквивалентных схем. Все параметры рассматриваемых эквивалентных схем дифференциальные, т.е. определены для приращений токов и напряжений. В некоторых литературных источниках такие схемы называют малосигнальными схемами замещения усилительных элементов, подчеркивая этим, что они справедливы только для режима малого сигнала.

Исходя из принципа работы биполярного транзистора можно построить физические эквивалентные схемы замещения. На рис. 4.11 показана эквивалентная Т-образная схема биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). В схеме имеются две базовые точки: точка Б, соответствующая внешнему выводу базы, и воображаемая точка Б₁, находящаяся внутри объемной области базы. Положительное направление тока эмиттера выбрано произвольно, поскольку знак приращения  (обозначение  на схеме для простоты опущено) может быть любым.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

, (4.8)

где  постоянная составляющая тока эмиттера.

Физическая суть сопротивления коллекторного перехода r_К заключается в следующем. Как известно, величины коэффициентов передачи токов  и  зависят от напряжения U_К. С изменением напряжения на коллекторном переходе толщина базы модулируется из-за изменения ширины запирающего слоя. При этом изменяется и среднее время пролета носителей через область базы. С увеличением напряжения, смещающего коллекторный переход в обратном направлении, запирающий слой расширяется, а база сужается. Поэтому среднее время пролета носителей через область базы уменьшается, соответственно уменьшается и доля носителей, которые рекомбинируют в базе, а следовательно, увеличиваются коэффициенты передачи токов  и . При уменьшении напряжения U_К, наоборот, переход сужается, база расширяется, и поэтому коэффициенты  и  уменьшаются. Таким образом, величины коэффициентов передачи токов  и  зависят от напряжения смещения на коллекторном переходе U_К.