Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Федеральное агентство по образованию.doc
Скачиваний:
17
Добавлен:
07.05.2019
Размер:
2.43 Mб
Скачать

§1.5 Транзисторы

Реализовав два р-п перехода на небольшом расстоянии друг от друга, как это схематично показано на рис. 1.5.1, получим плос­костной биполярный транзистор. На левом эмиттерном р-п переходе создается смещение в прямом направлении, на правом коллекторном р-п пе­реходе — в обратном. В полупроводнике, находящемся между эмиттерным и коллекторным р-п переходами, образуется область, которую называют базой. Области по обе стороны от базы назы­вают соответственно эмиттером и коллектором.

Принцип работы транзистора. Рассмотрим принцип работы транзистора. Когда ключ S на рис. 1.5.1 разомкнут, ток -I- цепи эмиттера отсутствует. При этом в цепи коллектора имеется не­большой ток, называемый обратным током коллектора и обозна­чаемый ikbo (буква О в индексе от слова «обратный», поэтому неправильно обратный ток коллектора называть нулевым). Этот ток очень мал, так как при обратном смещении коллекторного перехода потенциальный барьер велик и непреодолим для основ­ных носителей — дырок коллектора и свободных электронов базы. Коллектор легирован примесью значительно сильнее, чем база. Вследствие этого неосновных носителей в коллекторе значительно меньше, чем в базе, и обратный коллекторный ток создается глав­ным образом неосновными носителями: дырками,

Рис. 1.5.1 Транзистор

Рис. 1.5.2 Выходные характери­стики транзистора в схеме с ОБ

генерируемыми эмиттерным и коллекторным р-п переходами, образуется область, которую называют базой.. На рис.1.5.2 приведены выходные характеристики транзистора, включенного по схеме, приведенной на рис. 1.5.1.

Для рассматриваемого p-n-p-транзистора принято отрицатель­ное напряжение коллектор — база откладывать вправо по оси абсцисс.

Нижняя кривая соответствует разомкнутому положению ключа в цепи эмиттера и показывает зависимость обратного тока коллек­тора от напряжения на коллекторном переходе.

Замыкание ключа в цепи эмиттера приводит к появлению тока в этой цепи, так как смещение эмиттерного р-п перехода в прямом направлении понижает потенциальный барьер для дырок, перехо­дящих из эмиттера в базу, и для электронов, переходящих из базы в эмиттер. Нас интересуют только избыточные дырки, попадающие из эмиттера в базу, потому что только они создают приращение коллекторного тока. Говорят, что эти дырки инжектируются в базу через переход.

В базе обычного транзистора электрическое поле отсутствует, поэтому дальнейшее движение инжектированных дырок определя­ется процессом диффузии. Так как толщина базы транзистора зна­чительно меньше длины свободного пробега дырки до рекомбина­ции, то большая часть инжектированных дырок достигает коллек­торного перехода, благодаря чему коллекторный ток увеличива­ется.

Семейство выходных характеристик транзистора показано при некоторых постоянных значениях эмиттерного тока.

Модуляция толщины базы. Выходные характеристики, соответ­ствующие отрицательным значениям напряжения коллектор — ба­за, в правом верхнем квадранте идут почти горизонтально, но все же с небольшим подъемом. Это связано с изменением (модуляцией) толщины базы (эффект Эрли).

СХЕМА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

В предыдущем параграфе при рассмотрении принципа работы транзистора постоянные напряжения на эмиттер и коллектор по­давались относительно базы, выполняющей роль общей точки. Та­кая схема включения транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Схему, приведенную на рис. 1.5.1, можно преобразо­вать в усилитель напряжения. Для этого в цепь эмиттера вклю­чают источник переменного напряжения, которое нужно усилить, а в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки и снимают с него усиленное переменное напряжение. Схема такого усилителя показана на рис. 1.5.3.

В этой схеме использовано общепринятое условное изображе­ние транзистора п-р-п-типа. У транзистора п-р-п-типа полярность напряжений, подаваемых на эмиттер и коллектор, противоположна полярности напряжений в схеме с р-n-р-транзистором,

Рис. 1.5.3. Схема усилителя с ОБ

Коэффициентом передачи напряжения Ки называют отношение амплитуд или действующих значений переменных напряжений на выходе вых) и на входе (Uex) усилителя. Входом усилителя являются зажимы эмиттер — база, а выходом считается вход сле­дующего каскада или зажимы, к которым подключается внешняя нагрузка.

Как правило, сопротивление Rэ во много раз превышает вход­ное сопротивление транзистора переменному току Rex.

Для схемы с ОБ входное сопротивление транзистора очень близко к дифференциальному сопротивлению диода:

гэ = га~25//э, (1.5.1)

где /э — постоянная составляющая тока эмиттера, мА. Поэтому можно считать, что ток от источника сигнала — генератора г> Кг), показанного на рис. 1.5.3, не ответвляется в сопротивле­ние Rэ и целиком течет в эмиттер.

Выходные характеристики транзистора почти параллельны оси абсцисс. Это говорит о том, что выходное сопротивление транзистора для переменного тока в схеме с ОБ очень велико и составляет несколько мегаом.

Выходное сопротивление транзистора в схеме с ОБ на практи­ке всегда много больше сопротивления нагрузки. Поэтому можно считать, что выходной переменный ток не зависит от сопротивле­ния нагрузки и равен

1вых= h21бxlвх. (1.5.2)

Параметр h21б, называемый коэффициентом передачи тока при малом сигнале в схеме с ОБ в режиме короткого замыкания коллекторной цепи, по определению равен

h21б = dIк/dIэ при Uкэ=const (1.5.3)

СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Наиболее часто транзисторы включаются по схеме с общим эмиттером (ОЭ), когда общим зажимом для входного и выходного напряжений является эмиттер. На рис. 1.5.4 показана простейшая схема усилителя с ОЭ. На схеме приведены направления токов эмиттера, базы и коллектора, выбранные в качестве положи­тельных.

Ток коллектора равен

1к= h21эxlвх. (1.5.4)

где h21э = dIк/dIб при Uкэ=const

Рис. 1.5.4. Простейшая схема усилителя е ОЭ

На рис. 1.5.5 показаны выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ. Параметром выходных характеристик является не ток эмиттера, а ток базы. Они заметно отличаются от выходных характеристик для схемы с ОБ. Во-первых, как уже указывалось, ток /яэо в 50—100 раз больше, чем ток 1Кво- Во-вторых, наклон характеристик значительно больше, чем в схеме с ОБ. В-третьих, при одинаковом приращении тока базы приращения тока коллек­тора оказываются неодинаковыми. В-четвертых, характеристики не доходят до оси ординат.

Рис.1.5.5

При очень малых напряжениях икэ наблюдаются резкое паде­ние коллекторного тока с уменьшением напряжения ukq и незави­симость тока коллектора от тока базы. Говорят, что транзистор при этом входит в режим насыщения, который характеризуется тем, что при малых напряжениях коллектор — эмиттер оба р-п , перехода, как эмиттерный, так и коллекторный, оказываются сме­щенными в прямом направлении. Например, когда напряжение коллектор — эмиттер транзистора р-п-р-типа достигает значения икэ—— 0,2 В, а напряжение на базе относительно эмиттера ока­зывается «бэ-— 0,3 В, напряжение коллектора относительно базы wkb=+o,! В.

Отметим, что напряжение Uвх, при котором наступает насыще­ние, очень невелико и у кремниевого транзистора. Например, на­пряжение насыщения Uкэнас кремниевого транзистора р-п-р-типа может быть также равно —0,2 В при ивд=— 0,9 В и «кв=+0,7 В и только при очень больших токах базы и коллектора напряже­ние насыщения Uкэнас равно 0,5—1 В.

Входные характеристики. На рис. 1.5.6 а приведены входные вольт-амперные характеристики германиевого р-п-р- и кремниевого n-p-п-транзисторов в схеме с ОЭ. Проходные характеристики. Зависимости выходного тока 1К от напряжения ибэ на входе приведены на рис. 1.5.6 б.

Рис. 1.5.6. Характеристики германиевого p-n-p-транзистора МП-41 и кремние­вого n-p-n-транзистора КТ-315 в схеме с ОЭ: а- входные; б -проходные характеристики.

Рис. 1.5.7 Работа в режимах А и В.

Рис. 1.5.8. Схема стабилизации рабочей точки с делителем на­пряжения в цепи базы и сопро­тивлением в цепи эмиттера.

СХЕМА С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

ЭМИТТЕРНЫЙ ПОПВТОРИТЕЛЬ)

На рис. 1.5.9, а показана схема с ОК. Она называется также эмиттерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совпадает с напряжением на входе и близко к нему по значению.

Рис. 1Рис.1.5.9. Эмиттерный повторитель:

а. — исходная схема; б — упрощённая схема.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п ПЕРЕХОДОМ

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором выходной ток управляется входным напряжением. Транзистор называется полевым, так как входное напряжение создает электри­ческое поле, влияющее на выходной ток.

Б биполярных транзисторах, описанных в предыдущей главе, существенную роль играют два типа носителей электрического тока: основные и неосновные. В полевых транзисторах ток со­здается основным типом носителей, а неосновные существенной роли не играют. Поэтому когда желают подчеркнуть различие между транзисторами, то обычные транзисторы называют бипо­лярными, а полевые транзисторы — униполярными.

В биполярном транзисторе управление выходным током осу­ществляется с помощью входного тока базы или эмиттера, что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивле­нием. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее пре­имуществом. Например, при малом входном сопротивлении вся­кого рода наводки посторонних напряжений оказываются значи­тельно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако иногда крайне важно иметь очень большое входное сопро­тивление. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низ­кой частоты переменного тока может быть очень большим 108 – 1015 ОМ.

Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисто­ры в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позво­ляет создавать большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС), содержащие на одной пластинке кремния со сто­ронами 4x5 мм от нескольких тысяч до десятков тысяч транзи­сторов и резисторов. Такие микросхемы применяются, например, в микрокалькуляторах и электронных наручных часах, в микроконтроллерах.

Рис.1.5.11 . Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом р-типа.

Между каналом и затвором имеет место плоскостной р-п переход. Он становится проводящим при отрицательным напряжении между затвором и каналом более 0,6 В| Для нормальной работы транзистора этот переход должен оставаться запертым, поэтому напряжение затвора относительно истока для транзистора с каналом р-типа должно быть положительным или равным нулю. Конечно, допустимо и небольшое отрицай тельное напряжение, еще не приводящее к отпиранию р-n перехода.

Напряжение стока относительно истока, а следовательно, затвора должно быть отрицательным. Подача положительного напряжения на сток вызвала бы нежелательное отпирание р-п перехода. Отрицательное напряжение сток— исток вызывает ток в проводящем канале р-типа, изолированном от затвора и подложки запертыми р-п переходами (так называемая диодная изоляция).

Затвор является управляющим электродом. Изменяя на нее напряжение, можно влиять на толщину проводящего канала, а следовательно, изменять его сечение и сопротивление, что, в свою очередь, влияет на ток в проводящем канале и во внешней цепи.

Напряжение затвор — исток, при котором ток стока транзисто­ра с р-п переходом равен нулю или достигает заданного малого значения, называется напряжением отсечки.- Для транзи­сторов с р-каналом напряжение отсечки положительно и обычно равно 0,2—0,7 В. Естественно, что для транзисторов с управляю­щим р-п переходом с каналом n-типа напряжение отсечки отрица­тельно, а напряжение сток — исток положительно.

Рис. 1.5.12. Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом (канал р-типа).

Важным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики

(1.5.5)

Рис.1.5.13. Схема резисторного уси­лителя на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом и каналом р-типа.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ

Полевые транзисторы с изолированным затвором называют также МОП-транзисторами или МДП-транзисторами. Эти сокращенные названия указывают на их структуру металл — окисел—полупроводник или металл — диэлектрик — полупроводник.

Эти названия указывают на то, что между затвором из проводящего материала

— металла — и проводящего канала из полупроводника имеется изолирующий слой. Однако для уменьшения контактной разности потенциалов иногда вместо затвора из металла применяют затвор из поликристаллического проводящего кремния.

Имеется две основные разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором: транзисторы с встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом.

МОП-транзистор с встроенным каналом. Схематическое строение транзистора с встроенным каналом показано на рис.1.5.14. Приложенное к затвору отрицательное напряжение отталкивает электроны во встроенном канале n-типа. В результате создается обедненный слой в верхней части полупроводника между изолирующей прокладкой из окисла и проводящим каналом. МОП-транзистор с встроенным каналом чаще всего используется в режиме обеднения. Для транзистора с n-каналом это соответствует подаче отрицательного напряжения на затвор. Его характеристики при этом не отличаются от характеристик транзистора с управляющим

р-п переходом, имеющим канал такого же типа. Так как затвор изолирован, то на него можно подавать не только напряжения, уменьшающие ток стока (отрицательные для канала п-ти па и положительные для ка нала р-типа), но и напряжения обратной полярности.

Рис.1.5.14. МОП-транзистор с встроенным каналом n-типа.

Рис. 1.5.15. Структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа: а - напряжение на электродах отсутствует; б — на затвор и сток подано положитель­ное напряжение относительно истока и соединенной с ним подложки.

Первый режим называется режимом обеднения, а второй — режимом обогащения.

МОП-транзистор с индуцированным каналом. Строение тран­зистора с индуцированным n-каналом показано на рис. 1.5.15.,а. В отсутствие напряжения на затворе сильно легированные n- области истока и стока образуют вместе с подложкой два включен­ных навстречу диода. Поэтому приложение напряжения между истоком и стоком не вызывает существенного тока. При некотором положительном напряжении на затворе индуцируется проводящий канал за счет притяжения к изолирующей прокладке затвора электронов из р-материала подложки. Хотя электроны в подложке не являются основными носителями, проводящий канал состоит только из основных носителей — электронов.

Напряжение затвор — сток МОП-транзистора, работающего только в режиме обогащения, при котором образуется проводящий канал и ток стока достигает заданного низкого значения, назы­вается пороговым напряжением полевого транзистора и обознача­ется и3ипор. Обычно пороговое напряжение полевых транзисто­ров с индуцированным каналом лежит в пределах и3ипор 1—6 В.

Идеализированные стоковые характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показаны на рис.1.5.16. От ре­альных они отличаются тем, что имеют в области насыщения ну­левой наклон.

Штриховая линия на рис. 1.5.16 отделяет линейную область от области насыщения.

Рис. 1.5.16. Идеализированные стоковые характеристики МОП-транзистора с каналом n-типа зипо1р = 5 В)

Рис. 1.5.17. Условные обозначения полевых транзисторов:

а —полевой транзистор с р-п переходом, канал р-типа;

б — то же с каналом n-типа,

в — МОП-транзистор с встроенным каналом р-типа;

г — то же с каналом п-типа;,:

д — МОП-транзистор с индуцированным каналом р-типа;

е — то же с каналом п-типа .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]