65. Охарактеризуйте температурные и частотные свойства биполярного транзистора.

В процессе эксплуатации полупроводниковые изделия могут подвергаться воздействию перепада температур. Варьирование температуры окружающей среды обусловливает изменения внутренней энергии материалов, из которых изготовлены полупроводниковые изделия, и вызывают изменения их характеристик и параметров. Поэтому важно знать, как температура влияет на БТ.

При увеличении температуры, в первую очередь за счет изменения концентрации неосновных носителей в базе БТ, статические характеристики будут изменяться:

Напряжение U_БЭ с увеличением температуры уменьшается (по модулю). Это изменение можно считать линейным

Ток коллектора в СОЭ определяется формулой

Поэтому для оценки влияния температуры на выходные характеристики надо знать как зависит от температуры коэффициент усиления по току и обратный ток коллекторного перехода .

В первом приближении зависимость от температуры можно оценивать следующим образом

.

Для определения того, как зависит от температуры , пользуются понятием температуры удвоения

При изменении температуры на 100 градусов, обратный ток коллекторного перехода меняется примерно в 2¹⁰ ~1000 раз.

Если не предпринимать никаких мер, то транзистор, работающий в активном режиме и способный усиливать электрический сигнал по мощности, при изменении температуры окружающей среды будет переходить либо в режим отсечки, либо в режим насыщения, в которых он не усиливает сигнал, а играет роль ключа.

При работе БТ с быстроизменяющимися высокочастотными гармоническими или импульсными сигналами его усилительные свойства ухудшаются. В этом отношении БТ подобен некому фильтру низких частот: с увеличением частоты его коэффициенты усиления по току уменьшаются.

БТ, с точки зрения его частотных свойств, характеризуется тремя параметрами:

а) предельной частотой передачи базового тока для СОЭ f_β;

б) предельной частотой передачи эмиттерного тока для СОБ f_α;

в) граничной частотой f_ГР.

Ухудшение усилительных свойств БТ с ростом частоты связано с двумя факторами.

1. На высоких частотах барьерная емкость коллекторного перехода «шунтирует» КП и тем самым ухудшает усилительные свойства.

2. При больших частотах изменения сигнала, за счет инерционности, носители не успевают перемещаться по базе, что приводит к ухудшению усилительных свойств.

Для расширения частотного диапазона работы необходимо увеличивать скорость перемещения неосновных носителей по базе (для этого используют так называемые дрейфовые транзисторы), уменьшать толщину базы и емкость коллекторного перехода (другими словами, уменьшать размеры областей транзистора).

66. Охарактеризуйте назначение полевых транзисторов (ПТ) и назовите их достоинства по сравнению с биполярными транзисторами. Какими могут быть структуры ПТ и возможные способы регулирования канала полевого транзистора?

Полевым (униполярным) транзистором (ПТ) называют полупроводниковый прибор с тремя (иногда с четырьмя) выводами, у которого входная цепь изолирована от выходной диэлектриком или обедненным слоем при обратом включении, в основу принципа действия которого положено управляющее действие электрического поля на основные носители, и предназначенный для осуществления следующих функций:

1. Усиления электрических сигналов по мощности.

2. Коммутации (переключения, подключения) участков электрической цепи.

3. Регулирования величины протекающего через два его вывода тока.

В полевых транзисторах ток основных носителей заряда протекает по так называемому каналу, образованному внутри кристалла полупроводника. Этим током можно управлять, прикладывая напряжение к управляющему электроду. В настоящее время благодаря ряду преимуществ полевые транзисторы заметно потеснили биполярные транзисторы, особенно в области цифровой и энергетической (силовой) электроники. Как правило, на полевых транзисторах создают компьютеры, микропроцессорные системы, устройства обработки электрических сигналов.

От БТ полевой транзистор принципиально отличается следующим.

1. Используемым типом носителей. У полевого транзистора осуществляется перенос основных носителей и за счет электрического поля (дрейфа). В связи с тем, что главную роль играют основные носители, полевые транзисторы часто называют также униполярными.

2. Способом управления. БТ является прибором, управляемым током. У полевого транзистора управление сигналом осуществляется входным напряжением (электрическим полем).

Полевой транзистор обладает высокой устойчивостью к температурным изменениям, что, как увидим в дальнейшем, очень важно для интегральных схем, в которых транзисторы расположены очень близко друг относительно друга, и мощных приборов энергетической (силовой) электроники. Кроме того, у полевых транзисторов удается достигнуть очень высокого входного сопротивления (сотен мегом). Это дает возможность подключать их к «высокоомным» источникам.

Структуры ПТ весьма разнообразны, но обязательно в их составе имеются.

А) Слой (брусок) полупроводника р или n типа по которому движутся основные носители заряда, называемый каналом.

Б) Металлические выводы (электроды, омические контакты) с помощью которых обеспечивается включение канала в электрическую цепь.

В) Исток – это электрод и область канала, из которой исходят (истекают) основные носители заряда.

Г) Сток - это электрод и область канала, в которую основные носители входят (стекают).

Д) Затвор – это электрод, применяемый для управления величиной тока в канале.

Е) Монокристаллическая подложка – полупроводниковая или диэлектрическая область, на которой размещаются элементы полевого транзистора.

67. Кратко поясните устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом. Определите понятие семейства стоко - затворных характеристик и стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим затвором в виде р-n перехода.

Идею изменения сечения канала ПТ за счет изменения обедненной области на практике в настоящее время реализуют двумя способами: путем использования обедненного слоя электронно – дырочной структуры; путем использования обедненной области структуры металл – полупроводник (затвора Шоттки). Более широкое распространение получили ПТ с затвором, на основе электронно – дырочной структуры. Они проще и сточки зрения понимания работы. На их изучении мы и сосредоточим свое внимание. ПТ с затвором Шоттки сейчас являются основным функциональным элементом при создании сверхскоростных цифровых компонентов, а также схем, работающих на сверхвысоких частотах. Эти ПТ изготавливаются на основе арсенид галлия (у которого очень высокая подвижность носителей заряда и, соответственно, большая скорость дрейфа носителей в канале) и принцип их действия, в идейном смысле, не отличается от ПТ с затвором на основе р –n –перехода. Он легко может быть понят при усвоении ПТ с затвором на основе электронно-дырочной структуры.

К затвору (З) относительно истока (И) приложено напряжение U_ЗИ таким образом, чтобы р –n переход оказался при обратном включении. На сток (С) относительно И подано напряжение U_СИ такой полярности, чтобы основные носители под действием силы электрического поля ( ) двигались от истока к стоку.

Принцип действия ПТ с затвором в виде р –n –перехода заключается в том, что при изменении напряжения на затворе изменяется толщина обедненного слоя, а значит, и толщина проводящей части канала. Меняя напряжение U_ЗИ можно изменять толщину канала и, соответственно ток стока.

Рис.6.18. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим затвором в в виде р –n перехода

Шокли показал, что

.

- максимальный ток стока. - напряжение отсечки, т. е. напряжение между затвором и истоком при котором считается, что ток стока равен нулю (обычно считают при = 10 мкА).

Управляющее действие затвора характеризуют крутизной стоко - затворной характеристики

.

Семейство стоковых характеристик ПТ с затвором в виде р –n перехода Чисто внешне эти зависимости напоминают выходные характеристики БТ. На характеристиках имеется участок резкого изменения тока, и участок, на котором изменение тока мало. По аналогии с БТ на графике семейства можно выделить три основные рабочие области.

1. Область отсечки выходного тока (ООВТ). На ПТ подано большое отрицательное напряжение U_ЗИ, толщина канала очень мала и в цепи стока протекает очень малый ток.

2. Область открытого состояния (ООС).

3. Активная область (АО), в которой наблюдается «пологая» часть характеристик