фоэ / копишпоры2
.doc20. 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.
. 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 IЭ, выходным - ток коллектора IK. 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 IБ, выходным – ток эмиттера IЭ. Отношение выходного тока к входному мало отличаются от схемы ОЭ:.
Неуправляемый ток имеет то же значение I*Ko,т.к. при IБ = 0 цепь протекания тока остается прежней. Для схемы ОК выходной ток IЭ 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 IК и напряжение UКБ 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 IЭ, и в соответствии с (5.6) ток IK не зависит от напряжения UКБ. Практически же ток коллектора немного увеличивается с ростом напряжения UКБ 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 UКБ. Расширение коллекторного перехода идет в основном в сторону базы и уменьшает ее толщину.
Величина α при этом считается не изменяющейся. Усредняя rK , можно характеризовать семейство выходных характеристик ОБ достаточно строгим соотношением /3/:
(5.12)
Особенностью выходных характеристик ОБ является сохранение тока неизменным при уменьшении UКБ до 0. При этом экстракция всех подошедших к коллекторному переходу дырок осуществляется внутренним полем перехода (потенциальным барьером) и ток коллектора не уменьшается. Уменьшить ток IK до нуля можно, только изменив полярность напряжения UКБ, 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 UКБ = 0 - это прямая ветвь вольт - амперной характеристики эмиттерного перехода. При увеличении напряжения UКБ входные характеристики смещаются в сторону оси тока IЭ. Одной из причин этого смещения является та же модульная ширина базы, которая при постоянном токе эмиттера приводит к уменьшению напряжения UЭБ, а при постоянном UЭБ - к увеличению IЭ. Ток IЭ и напряжение UЭБ для p-n-p транзистора положительны.
23. Статические характеристики в схеме ОЭ. Выходные характеристики представляют собой зависимость тока коллектора IК от напряжения между коллектором и эмиттером UКЭ 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 IБ.
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 UКЭ на величину напряжения между базой и эмиттером UБЭ. Поэтому нулевое смещение на коллекторном переходе, соответствующее оси токов на рис.5.5,а (UКБ = 0), достигается при ненулевом UКЭ, равном по величине UБЭ (UБЭ измеряется десятыми долями вольта). При нулевом же выходном напряжении UКЭ 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 IК при этом практически равен нулю. Ток IK и напряжение UКЭ для p-n-p транзистора отрицательны.
Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока базы от направления между базой и эмиттером UБЭ при постоянном выходном напряжении UКЭ:
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 (UБЭ = -UЭБ). Однако входной ток ОЭ (IБ) в (1+ ) меньше тока IЭ. При увеличении напряжения UКЭ входная характеристика смещается в сторону оси напряжений. Одной из причин этого смещения также является модуляция толщины базы. Ток IБ напряжение UБЭ 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, h11Б, h21Э и т.д.
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 IC будет определяться величиной напряжения между стоком и истоком UС 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 UЗ (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 IС уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Таким образом, за счет изменения обратного напряжения на затворе UЗ (за счет изменения поля в р-п переходе) происходит управление током в канале IС (ток затвора при этом равен обратному току р-п перехода IО). На рис.6.2,а приведены выходные (стоковые) статические характеристики унитрона, представляющие зависимость тока стока IС от напряжения между стоком и истоком UС при постоянном напряжении на затворе UЗ:
На каждой характеристике при увеличении напряжения UС появляется почти горизонтальный участок (вправо от точки H). Режим, соответствующий этому участку, называют режимом насыщения, а напряжение UС, с которого начинается насыщение - напряжением насыщения UСН . Насыщение обусловлено тем, что напряжение на р-п переходе не одинаково по длине перехода: у стока оно равно сумме UЗ+UС, 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 UC : IC = f(UЗ)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 Uотс, 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 (UЗИ > 0) и отрицательных (UЗИ < 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 Uотс (унитрон, МОП-транзистор со встроенным каналом);
-
пороговым напряжением Uпор (МОП-транзистор с индуцированным каналом);
-
максимальным током стока Ic max
-
максимальным напряжением стока Ucи max
2) по переменному току (малосигнальные параметры):
-
крутизной
-
выходным сопротивлением
-
входным сопротивлением RВХ;
-
межэлектродными емкостями CЗИ, СЗС, ССИ ;
-
граничной частотой fs 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 СЗ через сопротивление канала RK с постоянной заряда
Усредненное значение емкости Сз равно единицам и долям пикофарады, усредненное значение сопротивления RК = 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 UЗ, 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
fS определяется так же, как и f , при этом S0 уменьшается в 2 раза
Низкочастотное значение крутизны S0 и внутреннее сопротивление Ri, определяются из выходных характеристик в выбранном режиме (S0, Ri зависят от режима).
Важнейшей особенностью полевого транзистора является очень высокое входное сопротивление RВХ, 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) fS достигает 10 ГГц. У сплавных унитронов fS 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 (СЗИ, СЗС, ССИ).
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 (Iс) при U3н≤0 протекать не может. Режим обеднения в этом транзисторе невозможен. При положительном напряжении затвора UЗ, 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 Uпор, 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>Uпор 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 Uпор. 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.