фоэ / шпоры2

9.

20. Устройство и принцип действия

Устройство. Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, ос­нову которого составляют два взаимодействующих р-п перехода, образованные в едином кристалле полупроводника и разделенные очень узкой областью взаимодействия, называемой базой. Транзис­тор является одним из самых распространенных полупроводниковых приборов. Он широко используется и как усилительный, и как пе­реключающий элемент, т.е. является универсальным элементом электронных схем. В настоящее время промышленностью выпускает­ся множество всевозможных типов транзисторов с мощностью рассея­ния от десятков милливатт до десятков ватт и с рабочими частота­ми от низких, звуковых частот до сверхвысоких частот (СВЧ). На рис.5.1,а показана упрощенная структура и условное обозначе­ние транзистора р-п-р, а на рис.5.1,б - транзистора п-р-п, Транзисторы р-п-р и п-р-п различаются только порядком чередо­вания типов проводимости областей транзистора. Принцип их рабо­ты одинаков, но полярности внешних источников напряжений и на­правления протекания токов транзистора п-р-п противоположны транзистору р-п-р. Это обстоятельство намного расширяет возможности транзисторов, позволяет создавать оригинальные схемы.

Принцип действия. Каждый из р-п переходов транзистора может быть смешен в прямом либо обратном направлениях. В зависи­мости от полярности смещений двух переходов возможны четыре ре­жима транзистора. Однако основным является активный (усилительный) режим, при котором эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Ниже подробно описан активный режим транзистора. Другие режимы будут рассмотрены в соответствующих разделах курса. На рис.5.3 крупным планом пока пока­зано стационарное распределение потоков подвижных носителей в транзисторе в активном режиме и распределение потенциалов в кристалле в направлении эмиттер - коллектор. При этом учтены только основные потоки носителей, обусловленные взаимодействи­ем переходов и определяющие сущность транзистора. Но следует иметь в виду, что каждый переход сохраняет полностью и свойст­ва отдельного перехода, рассмотренные в предыдущих главах. Поэтому, кроме указанных на рис.5.3, имеются еще потоки носителей, обусловленные свойствами р-п переходов, на которые будем обра­щать внимание по мере необходимости. В активном режиме в тран­зисторе происходят следующие основные процессы.

14.

21. Три схемы включения транзистора.Как элемент электрической цепи, транзистор может быть вклю­чен по-разному. В зависимости от того, какой из внешних выводов является общим для входной и выходной цепей, возможны три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в выходных и вход­ных цепях.

а б в

Рис. 5.4

В этом отношении каждая из схем включения транзистора имеет свои особенности.

Схема с обшей базой (ОБ) приведена на рис.5.4,а. Входным током в этой схеме является ток эмиттера I_Э, выходным - ток кол­лектора I_K. Нетрудно заметить, что принцип действия транзистора был рассмотрен на примере схемы ОБ. Поэтому для ОБ целиком спра­ведливы все полученные ранее соотношения. С учетом теплового тока и основных соотношений (5.1) и (5.2) в активном (усили­тельном) режиме связь выходного тока с входным может быть пред­ставлена в следующем виде:

Выходной ток меньше входного, т. е. схема ОБ не может усиливать ток. Но возможно многократное усиление напряжения, только реализуется возможность в более сложных схемах – усилительных каскадах, которые будут рассмотрены далее. Схема ОБ используется редко.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис.5.4,б. Вход­ным является ток базы, выходным - ток коллектора.

Отношение то­ка коллектора к току базы называют коэффициентом усиления тока базы.

Тогда коэффициент усиления тока базы  может быть выражен че­рез основной коэффициент передача тока :

(5.7)

Схема с общим коллектором (ОК) приведена на рис.5.4,в. Входным является ток базы I_Б, выходным – ток эмиттера I_Э. Отношение выходного тока к входному мало отличаются от схемы ОЭ:.

Неуправляемый ток имеет то же значение I^*_Ko,т.к. при I_Б = 0 цепь протекания тока остается прежней. Для схемы ОК выход­ной ток I_Э может быть записан в следующем виде:

(5.10)

В схеме ОК выходное напряжение почти равно входному (за вычетом прямого напряжения на эмиттерном переходе). Схема ОК не может усиливать напряжение, но многократно усиливает ток. Схема ОК используется редко.

22.Статические характеристики в схеме ОБ. Выходные (или коллек­торные) характеристики представляют зависимость тока коллектора от напряжения коллектора при постоянном токе эмиттера:

На рис.5.5,а приведены выходные характеристики маломощного транзистора. Для транзистора р-п-р типа ток I_К и напряжение U_КБ отрицательны, для транзистора п-р-п типа - положительны. Однако характеристики принято изображать в первом квадранте для обоих типов без учета полярности токов и напряжений. Каж­дая выходная характеристика - это обратная ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п перехода, смещенная на вели­чину I_Э, и в соответствии с (5.6) ток I_K не зависит от на­пряжения U_КБ. Практически же ток коллектора немного увеличива­ется с ростом напряжения U_КБ и характеристики имеют незначи­тельный наклон.

Рост тока коллектора с ростом напряжения обус­ловлен модуляцией толщины базы (эффектом Эрли). Модуляция тол­щины базы - уменьшение толщины базы при увеличении напряжения на коллекторном переходе, смещенного в обратном направлении. Ширина коллекторного перехода увеличивается при увеличении U_КБ. Расширение коллекторного пе­рехода идет в основном в сторону базы и уменьшает ее толщину.

Величина α при этом считается не изменяющейся. Усредняя r_K , можно харак­теризовать семейство выходных характеристик ОБ достаточно стро­гим соотношением /3/:

(5.12)

Особенностью выходных характеристик ОБ является сохране­ние тока неизменным при уменьшении U_КБ до 0. При этом экстрак­ция всех подошедших к коллекторному переходу дырок осуществля­ется внутренним полем перехода (потенциальным барьером) и ток коллектора не уменьшается. Уменьшить ток I_K до нуля можно, только изменив полярность напряжения U_КБ, как показано пункти­ром (см. рис.5.5,а).

Входные (или эмиттерные) характеристики представляют за­висимость тока эмиттера от напряжения эмиттера при постоянном напряжении на коллекторном переходе:

На рис.5.5,б приведены входные характеристики маломощного транзистора. Входная характеристика при U_КБ = 0 - это прямая ветвь вольт - амперной характеристики эмиттерного перехода. При увеличении напряжения U_КБ вход­ные характеристики смещаются в сторону оси тока I_Э. Одной из при­чин этого смещения является та же модульная ширина базы, кото­рая при постоянном токе эмиттера приводит к уменьшению напряже­ния U_ЭБ, а при постоянном U_ЭБ - к увеличению I_Э. Ток I_Э и на­пряжение U_ЭБ для p-n-p транзистора положительны.

23. Статические характеристики в схеме ОЭ. Выходные характерис­тики представляют собой зависимость тока коллектора I_К от на­пряжения между коллектором и эмиттером U_КЭ при постоянном токе базы:

На рис.5.6,а приведены выходные характеристики ОЭ того же транзистора, что и характеристики на рис.5.5,а. Это тоже обрат­ные ветви коллекторного перехода, смещенные в соответствии с (5.9) на величину  I_Б.

Модуляция толщины базы в схеме ОЭ обус­ловливает больший наклон выходных характеристик, чем в схеме ОБ, по причине взаимодействия с эмиттерным переходом: приращения то­ка коллектора проходят через эмиттерный переход, вызывают пони­жение потенциального барьера, инжекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию и экстракцию.

Выходные характеристики ОЭ расположены полностью в первом квадранте, и практически все характеристики проходят через нуль. Обусловлено это тем, что напряжение на коллекторном переходе всегда меньше выходного U_КЭ на величину напряжения между ба­зой и эмиттером U_БЭ. Поэтому нулевое смещение на коллекторном переходе, соответствующее оси токов на рис.5.5,а (U_КБ = 0), достигается при ненулевом U_КЭ, равном по величине U_БЭ (U_БЭ измеряется десятыми долями вольта). При нулевом же выходном на­пряжении U_КЭ коллекторный переход оказывается уже смещенным в прямом направлении (при этом оба перехода включены параллельно) и появившийся ток инжекции коллекторного перехода направлен встречно току экстракции. Результирующий ток I_К при этом прак­тически равен нулю. Ток I_K и напряжение U_КЭ для p-n-p транзис­тора отрицательны.

Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока базы от направления между базой и эмиттером U_БЭ при посто­янном выходном напряжении U_КЭ:

На рис.5.6,б приведены входные характеристики того же транзис­тора. По виду они аналогичны входным характеристикам ОБ (см. рис.5.5,б). Входное напряжение ОЭ по величине равно входному напряжению ОБ, лишь полярность его противоположная (U_БЭ = -U_ЭБ). Однако входной ток ОЭ (I_Б) в (1+ ) меньше тока I_Э. При уве­личении напряжения U_КЭ входная характеристика смещается в сторо­ну оси напряжений. Одной из причин этого смещения также является модуляция толщины базы. Ток I_Б напряжение U_БЭ для транзистора р-п-р отрицательны.

25. Четырехполюсниковые h-параметры транзистора и эквивалентная схема с h-параметрами.Четырехполюсниковые h-параметры транзистора получены на основе теории четырехполюсников, согласно которой любую линей­ную систему с неизвестной структурой (часто называемую "черным ящиком") можно представить четырехполюсником с параметрами, от­ражающими взаимодействие "черного ящика" с другими элементами. Ценным в этой теории является то, что параметры четырехполюсни­ка ("черного ящика") могут быть определены по внешним измерени­ям, в частности по опытам холостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсника. Из всех возможных взаимо­связей, входных и выходных величин четырехполюсника для транзис­торов более подходящей является смешанная система, в которой за независимые принимаются входной ток I₁ и выходное напряжение U₂ (рис.5.11,а). Величины U₁ , I₂ - это функции первых двух величин:

Малые приращения токов ∆I для линейных участков характе­ристик связаны линейной зависимостью с приращениями ∆U:

Коэффициенты в (5.20), называемые h-параметрами, имеют следующий смысл:

входное сопротивление при коротком замыкании на вы­ходе,

коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе,

коэффициент передачи тока в прямом направлении при кз на выходе,

выходная проводимость при холостом ходе на входе,

и определяются измерениями токов i₁, i₂ и напряжениями U₁, U₂ во внешних выводах.

Эквивалентная схема с h-параметрами, соответствующая сис­теме уравнений (5.20), приведена на рис.5.12. Направления то­ков соответствуют принятым в теории четырехполюсников. Эквива­лентная схема одинакова для всех трех схем включения транзисто­ра, но величины элементов схемы (величины h-параметров) будут разные. Поэтому для каждой схе­мы включения h-параметры снаб­жаются индексами: Б - для схе­мы ОБ, Э - для схемы ОЭ, К - для схемы ОК. Например, h_11Б, h_21Э и т.д.

26.

29. Полевой транзистор (по аналогии с биполярным) можно включать в схеме с общим истоком ОИ (аналогичен ОЭ), общим затвором ОЗ (аналогичен ОБ), общим стоком ОС (аналогичен ОК). На затвор подается обратное для р-п перехода напряжение. Величина тока стока I_C будет опре­деляться величиной напряжения между стоком и истоком U_С и со­противлением канала (каналом называют область кремниевого брус­ка между р-п. переходами, отсюда еще одно название - каналь­ный транзистор). Условное обозначение такого транзистора и схема его включения с общим истоком (ОИ) приведены на рис.6.1,б. При увеличении обратного напряжения на затворе U_З (по отношению к истоку) р-п переход расширяется, преимущественно в сторону канала (брусок выбирается высокоомным), как показано пунктиром на рис.6.1,а. Уменьшается поперечное сечение канала, а сопротив­ление канала увеличивается, при этом ток в канале I_С уменьша­ется. Такой режим называют режимом обеднения. Таким образом, за счет изменения обратного напряжения на затворе U_З (за счет изменения поля в р-п переходе) происходит управление током в канале I_С (ток затвора при этом равен обратному току р-п перехода I_О). На рис.6.2,а приведены выходные (стоковые) статические характеристики унитрона, представляющие зависимость тока стока I_С от напряжения между стоком и истоком U_С при постоянном напряжении на затворе U_З:

На каждой характеристике при увеличении напряжения U_С появ­ляется почти горизонтальный участок (вправо от точки H). Режим, соответствующий этому участку, называют режимом насыщения, а напряжение U_С, с которого начинается насыщение - напряжением насыщения U_СН . Насыщение обусловлено тем, что напряжение на р-п переходе не одинаково по длине перехода: у стока оно рав­но сумме U_З+U_С, у истока - только напряжению на затворе Uз. Значит, и расширение р-п перехода у стока (вверху) больше, чем у истока (внизу), как показано пунктиром на рис.6.1,а. При напряжении насыщения (точка Н) проводящий канал почти пе­рекрывается р-п переходом у стока. Дальнейшее увеличение напряжения Uc почти не увеличивает тока, а приводит к увеличению длины горловины (на которой и происходит дальнейшее увеличение напряжения). В крутой части (влево от точки Н) ток Ic сильно зависит от напряжения стока Uc (при малом токе Ic зависимость почти линейная) и все характеристики проходят через начало координат. При напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, происходит полное пе­рекрытие канала (смыкание р-п перехода) и ток в канале не протекает. Кроме стоковых (выходных), используют еще затворно-стоковые характеристики (характеристики прямой передачи), пред­ставляющие зависимость тока Ic от напряжения Uз, при фиксиро­ванном напряжении стока U_C : I_C = f(U_З)_Uc=const,

30. МОП-транзистор На рис.6.3,а приведена структура МОП-транзистора со встроен­ными каналами n-типа и схема включения с общим истоком. Исток и сток такого транзистора образованы сильно легированными n⁺ областями в относительно высокоомной подложке - кристалле p-типа. Между стоком и истоком технологическими приемами создает­ся тонкий канал n-типа с большим сопротивлением из-за малой толщины канала. Такой транзистор называют МОП-транзистором со встроенным каналом. Канал между стоком и истоком покрыт плен­кой диэлектрика – двуокиси кремния. На пленку диэлектрика на­носится металлическая пленка М, являющаяся затвором. Длина кана­ла составляет единицы мкм. Условное обозначение такого тран­зистора и схема его включения ОИ показаны на рис.6.3,б. При силь­ном упрощении принцип действия такого транзистора можно объяс­нить так:

1. При отрицательном напряжении на затворе Uз (относитель­но истока) электроны "отталкиваются" электрическим полем от по­верхности (т.е. из канала) в глубь подложки, а дырки подходят из подложки к поверхности. Проводимость канала уменьшается.

Такой режим называют режимом обеднения.

При некоторой величине отрицательного напряжения на затво­ре, называемом напряжением отсечки U_отс, n-канал исчезает сов­сем. Остаются только сток и исток n⁺-типа и окружающая их под­ложка р-типа, с которой сток и исток образуют два встречно включенных р-п перехода. Ток стока при этом не протекает. Таким образом, МОП-транзистор со встроенным каналом в режиме обеднения подобен унитрону, только ток затвора в нем во много раз меньше.

2. При положительном напряжении на затворе электроны "вы­тягиваются" полем из подложки (в подложке электроны - неоснов­ные носители) к поверхности, т.е. в канал. Электроны в канал поступают и из полуметаллических n⁺-слоев истока и стока. Дырки же "отталкиваются" полем в глубь подложки. Проводимость канала при этом увеличивается. Такой режим называют режимом обогащения (в унитроне он невозможен). На рис.6.4,а приведены статические выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Они аналогичны характеристикам унитрона с той лишь разницей, что МОП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. На рис.6.4,б показаны затворно-стоковые характерис­тики (характеристики прямой передачи), отличающиеся от аналогичных ха­рактеристик унитрона использованием положительных (U_ЗИ > 0) и отрицательных (U_ЗИ < 0) напряжений на затворе, соответствую­щих режимам обогащения и обеднения соответственно.

Рис. 6.4

31.Полевые транзисторы характеризуются следующими основными параметрами:

1) по постоянному току:

• напряжением отсечки U_отс (унитрон, МОП-транзистор со встроенным каналом);

• пороговым напряжением U_пор (МОП-транзистор с индуцирован­ным каналом);

• максимальным током стока I_{c max}

• максимальным напряжением стока U_{cи max}

2) по переменному току (малосигнальные параметры):

• крутизной

• выходным сопротивлением

• входным сопротивлением R_ВХ;

• межэлектродными емкостями C_ЗИ, С_ЗС, С_СИ ;

• граничной частотой f_s по крутизне.

Важнейшим малосигнальным параметром полевого транзистора является крутизна, отражающая усилительные свойства транзистора. Поскольку затвор, окисел и канал образуют конденсатор (емкость затвора), то при изменении напряжения затвора происходит перезаряд емкости С_З через сопротивление канала R_K с постоянной заряда

Усредненное значение емкости Сз равно единицам и долям пикофарады, усредненное значение сопротивления R_К = 75 – 300 Ом. При этом управляющим напряжением Uз на затворе является напряжение на емкости. Значит, и ток стока будет изменяться вместе с на­пряжением Uз. Однако напряжение на емкости Uз является внутрен­ней величиной, а напряжение затвора Uз (рис.6.7,а) - внешней.

По отношению к внешнему напряжению U_З, ток стока запаздывает. Это явление в конечном итоге обусловливает зависимость крутизны от частоты (комплексность крутизны):

и определяет частотные свойства транзистора, т.е. его граничную частоту

f_S определяется так же, как и f_ , при этом S₀ уменьшается в 2 раза

Низкочастотное значение крутизны S₀ и внутреннее сопротив­ление R_i, определяются из выходных характеристик в выбранном ре­жиме (S₀, R_i зависят от режима).

Важнейшей особенностью полевого транзистора является очень высокое входное сопротивление R_ВХ, достигающее у МОП-транзисто­ров 10¹⁴ Ом, а также малый коэффициент шума. Граничная частота обычных МОП-транзисторов (с каналом длиной в 5 - 10 мкм) находит­ся в пределах 100 - 300 МГц. У транзисторов с ультракоротким ка­налом (доли мкм) f_S достигает 10 ГГц. У сплавных унитронов f_S не превышает 500 кГц.

С учетом параметров по переменному току на рис.6.7,б пред­ставлена упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора для переменных составляющих. Часто входную цепь (из-за очень большого входного сопротивления) не указывают, тогда схема приобретает простой вид (см. рис.6.7,б), аналогичный виду ламповой схемы. Ем­кость С₀ в выходной цепи является эквивалентной емкостью всех межэлектродных емкостей (С_ЗИ, С_ЗС, С_СИ).

6.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом n-типа

Этот транзистор отличается только тем, что при изготовле­нии не получают проводящего канала между истоком и стоком (рис.6.5,а).

а б

Рис. 6.5

Сильно легированные области стока и истока n⁺-типа образуют с подложкой p-типа два встречно включенных p-n перехода, поэтому ток между стоком и истоком (I_с) при U_3н≤0 протекать не может. Режим обеднения в этом транзисторе невозможен. При положительном напряжении затвора U_З, под действием элект­рического поля электроны "вытягиваются" из р-подложки и из областей истока и стока к поверхности под затвором, а дырки отталкиваются в глубь подложки. При некотором положительном на­пряжении затвора, называемом пороговым U_пор, на поверхности под затвором концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. возникает (индуцируется) канал n-типа. Такой тран­зистор называют МОП-транзистором c индуцированным каналом. Условное обозначение такого транзистора и схема его включения показаны на рис.6.5,б. При увеличении напряжения затвора сверх порогового Uз>U_пор проводимость канала увеличивается, т.е. наступает режим обогащения. На рис.6.6,а приведены статические входные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с индуциро­ванным каналом. Основное отличие этих характеристик от предыду­щих обусловлено тем, что МОП-транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения (Uз>0) и имеет параметр – пороговое напряжение U_пор. На рис.6.6,б показаны затворно-стоковые характеристики этого транзистора. МОП-транзис­торы с индуцированным каналом проще в изготовлении, т.к. отсут­ствуют технологические операции по "встраиванию" канала. Они более перспективны для применения в микросхемах.