Какие усилительные свойства транзистора

Физические основы
микроэлектроники; Электроника; Флеров
А.Н., 2015

Лекция 9, тезисы

Параметры транзисторов

Параметры
транзисторов
делятся на электрические и предельные
эксплуатационные.

Электрические параметры:

1. Граничная частота, fГР;

2. Коэффициент передачи
тока, KI;

3. Обратные токи переходов
при заданных обратных напряжениях, IKO;

4. Емкости переходов, Сi-j;

и т.д.

Кроме общих электрических параметров
в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических
параметров, присущих данной категории
транзисторов.

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры
– это максимально допустимые значения
напряжений, токов, мощности, температуры,
при которых гарантируются работоспособность
транзистора и значений его электрических
параметров в пределах норм технических
условий.

Например, к предельным эксплуатационным
параметрам относятся:

1. Максимально допустимые
обратные напряжения на переходах. Uобр
макс;

2. Максимально допустимая
рассеиваемая мощность, Pк
макс;

3. Максимально допустимая
температура корпуса, toмакс
корп;

4. Диапазон рабочих температур,
toмин,
toмакс.

Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности на­пряжений,
приложенных к электродам транзистора,
возможны четыре режима его работы:

– активный;

– отсечки;

– насыще­ния;

– инверсный.

Режимы насыщения и отсечки
объединяют одним термином – ключевой
режим.

Активный режим работы
используется при усиле­нии малых
сигналов, прямое напряжение подается
на эмиттерный переход, а обрат­ное –
на коллекторный.

В режиме отсечки оба перехода
смеща­ются в обратном направлении.
Ток тран­зистора в этом режиме мал,
он практиче­ски заперт (транзистор
заперт).

В режиме насыщения оба перехода
смещаются в прямом направлении, через
транзистор протекает максимальный ток,
он полностью открыт (транзистор открыт).

В инверсном режиме (используется
редко), эмиттерный переход смещен в
обратном направле­нии, а коллекторный
в прямом. Этот режим чаще всего используют
в быстро­действующих ключевых схемах.

Рис. 9.1 Полярности напряжений на
электродах транзистора при различных
режимах работы

Принцип действия транзисторов
типа n-p-n
такой же, только в область ба­зы
вводятся из эмиттера не дырки, а электроны;
полярность напряжений Еки Еэбудет противоположной
случаю p-n-р;
направления токов из­менится на
противоположное, т.к. они обусловлены
в данном случае не дыроч­ной, а
электронной проводимостью.

Усилительные свойства
транзистора рассмотрим на примере схемы
включения транзистора с общей базой,
рис .9.2

Рис.9.2

На вход транзистора, относительно
перехода база-эмиттер, подаются два
напряжения: постоянное напряжение
смещения ЕЭи переменное напряжение
подлежащее усилениюUвх,
причем

Uвх<< ЕЭ (9.1)

Соотношение источников питания ЕКи смещения ЕЭ:

ЕЭ< ЕК.(9.2)

В коллекторную цепь
транзистора включа­ется сопротивление
нагрузки RH.

Т.к. выходное со­противление
транзистора (транзистор, со стороны
коллек­торного перехода является
источником тока, его
внутреннее сопротивление велико,1-10
МОм), то можно в цепь коллектора включать
большие по номиналу сопротивления
нагрузки, почти не влияя на величину
коллекторного тока (RH – единицы и десятки
килоом).

Соответственно в цепи нагрузки может
выделяться значительная мощность
(переменной составляющей)

Pвых~=1/2Iк2Rн
(9.3)

Входное сопротивление
схемы, напротив, весьма ма­ло (прямо
смещенного эмиттерного перехода, единицы
– десятки Ом). Соответственно

Rн
>> Rвх,
(9.4)

Поэтому при почти одинаковых
токах коллектора и эмиттера Iк
~ Iэ
, (включение транзистора в схеме с общей
базой) мощность, потребляемая в цепи
эмиттера

Pвх~=1/2Iэ2Rвх
(9.5)

оказывается несравненно меньше, чем
выделяе­мая в цепи нагрузки.

Pвых/
Pвх
~Rн
/ Rвх

(9.6а)

Из (9.6) и (9.4) видно, что

Pвых>>
Pвх
(9.6б)

!!! Т.о транзистор способен
усиливать мощность, т.е. он являет­ся
усилительным прибором.

Показатели, характеризующие усилительные
свойства транзистора

– коэффициент усиления по
току;

– коэффициент
усиления по напряжению;

– коэффициент усиления по
мощности.

1. Коэффициент усиления по
   току:отношение изменения
   выходного тока к,к вызвавшего его
   изменение входного тока Iэ

КI=Iвых/Iвх=
Iк/Iэ
(9.7)

Для приведенной схемы KI
< 1 (типовые значения
КI=
0,9 – 0,95), т.е. ток IКв выходной цепи всегда
несколько меньше тока Iэ,
протекающего во входной цепи и транзистор,
включенный по представленной выше
схеме, уси­ления по току не дает.

Обычно отношение Iк/Iэ
обозначается 
(в системе h
параметров, см. п.3 “Для самостоятельного
изучения“, для схемы с ОБ обозначается
h21б).

Чем больше коэффициент ,
тем меньше отличаются между собой токи
IКи IЭ,
и соответственно, тем большими оказываются
коэффициенты усиления транзистора по
напряжению и по мощ­ности.

2. Коэффициент
   усиления по напряжению
   – отношение изменения
   выходного Uвых
   переменного
   напряжения к входному Uвx,:

KU=Uвых
/Uвx
(9.8)

Uвых=IK.
.Rн
(9.9)

Uвх
=Iвх
rэб,
(9.10)

где rэб
сопротивление входной цепи транзистора
(сопротивление участка эмиттер-база).

KU=IKRн/IЭ.
rэб
=.Rн/
rэб
(9.11а)

т.к Iэ
~Iк
, т.е. ~1
то

Кu~ Rн/rэб
(9.11б)

3. Коэффициент усиления по
   мощноститранзистора:
   отношение выходной мощности (выделяющейся
   на нагрузке) к входной

КР~
= Pвых/
Pвх=0.5IK2Rн/
0.5IЭ2.rэб=.2
Rн/.rэб
= Rн/.rэб
(9.12)

причем

КР=
KU
КI(9.13)

Для данной схемы (ОБ) КРчисленно равен
KU
(КI<1)и может достигать
величины в несколько сотен.

Усиление сигнала с помощью
транзистора происходит за счет потребления
энергии от источника
питания.

Сам транзистор выполня­ет
функции своеобразного регулятора
выходного тока, который под действием
слабого входно­го сигнала, введенного
в цепь с малым сопротивлением, изменяет
ток в выход­ной цепи, обладающей
большим сопротивлением.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор полупроводниковый
прибор, ток которого изменяется в
результате действияперпендикулярноготоку электрического поля, создаваемого
входным напряжением.

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от
биполярных (БТ) ряд специфических
особенностей:

– высокое входное сопротивление;

– малое потребление энергии по цепи
управления

ПТ
нашли широкое применение и как дискретные
элементы схем, также они ши­роко
используются в интегральных микросхемах
(ИМС). Это объясняется простотой
изготовления (в настоящее время) ПТ ИМС,
по сравнению с БТ, малым потреблением
энергии и высокой плотностью расположения
элементов в ИМС.

Классификация полевых
транзисторов (упрощенная)

ПТ

с
изолированным

затвором (МОП, МДП)

металл – п/п с управляющим
встроенный канал индуцированный
канал

p–n
переходом

р- канал n
– канал р -канал
n
– канал

Рис.9.3 Упрощенная классификация полевых
транзисторов

Идея полевого транзистора с изолированным
затворомбыла предложена

Ю. Лилиенфельдом в 1926-1928 годах. Объективные
научные и технологические трудности в
реализации этой конструкции позволили
создать первый работающий прибор этого
типа только в 1960 году.

В 1953 году Дейки и Росс предложили и
реализовали другую конструкцию полевого
транзистора – с управляющим p-n
переходом.

Конструкция полевых транзисторов с
барьером Шоттки– была предложена
и реализована Мидом в 1966 году.

Полевой транзистор с
управляющим р-n
переходом

Полевой транзистор
с управляющим p-n переходом–
это полевой транзистор, управление
потоком основных носителей в котором
происходит с помощью выпрямляющего
электрического перехода, смещенного в
обратном направлении.

Конструкция

Схематическое устройство
полевого транзистора с управляющим p-n
переходом представлено на рис. 9.4

Рис. 9.4 Упрощенная структура полевого
транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n
переходом представляет собой
монокристалл полупроводникаn–типа
проводимости.

По торцам кристалла методом напыления
сформированы электроды, а посередине,
с двух сторон, созданы две области p-типа
проводимости также с электрическими
выводами от этих областей,соединенные
между собой(возможны и
другие варианты структуры, например –
цилиндрическая с кольцевым затвором).

На границе раздела областей с различным
типом проводимости возникнет

р-n переход.

ПТ содержит три полупроводниковые
области: две одного и того же типа
проводи­мости, называемые соответственно
истоком (И)
и стоком (С),
и противоположной им типа проводимости,
называемой затвором
(З).

Область между стоком и
истоком называется каналом.

К каждой из областей (стоку,
истоку и затвору) присоединены
соответствую­щие выводы (невыпрямляющие
контакты, омические).

В транзисторе используется
движение носителей заряда одного знака
(ос­новных носителей),
которые, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ
(Uси),
движутся из истока через канал в сток.

Этим объ­ясняются названия:
исток–
область, из которой выходят носители
заряда, и сток –
область, в которую
они входят.

p–n
переход при нормальном режиме работы
транзистора должен быть обратносмещенным.

Физика работы

Действие прибора основано
на зависимости толщины p-n
перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

Источник напряжения U3Исоздает отрицательное
напряжение на затворе (относительно
истока), p-n
переход находится в запертом состоянии
и почти полностью лишен подвижных
носителей заряда, его проводимость
практически равна нулю.

Увеличение запирающего напряжение на
затворе приводит к увеличению ширины
перехода (области обедненной носителями
заряда) и соответственно к уменьшению
сечения проводящего канала.

Если подключить к каналу
источник питания UИСмежду стоком и
истоком (невыпрямляющими
контактами),
то через кристалл полупро­водника
потечет ток.

С уменьшением или увеличением
напряжения на затворе
(U3И’,
U3И”
на рис.9.4)
уменьшается или увеличивается ширина
p-n
перехода, вследствие этого изменяется
сечение канала которое зависит от
толщины р-n
перехода т.е. изменяется сопротивление
канала и в результате изменяется величина
тока стока IС.

Таким образом, изменением
напряжения на затворе, можно управлять
1С.

Носители в канале движутся
от истока к стоку под действием продольного
электрического поля (направленного
вдоль канала), создаваемого напряжением
меду стоком и истоком.

Основным процессом переноса носителей
заряда, образующим ток полевого
транзистора, является дрейфосновных
носителей в электрическом поле.

Электрическое поле,
возникающее при приложении напряжения
между затво­ром и истоком, направлено
перпендикулярно дви­жению носителей
в канале и при этом говорят, что ток
транзистора управляется
поперечным электрическим полем.

Можно подобрать такое отрицательное
напряжение на затворе, при котором
произойдет полное перекрытие канала.

При полностью перекрытом
канале ток канала IC
обращается в нуль, а в це­пи стока
течет лишь малый остаточный ток (или
ток отсечки) IСО.

Он состоит
из обратного тока p-n
перехода I
и тока утечки Iу,
протекающего по поверх­ности кристалла.
Т.к. Iу
« I,
то Iсо
~ I
.

!!! Полевой транзисторв отличие от
биполярного иногда называютуниполярным,
т. к. его работа основана только токах
основных носителях заряда либо электронов,
либо дырок (зависит от типа канала).

Вследствие этого в полевом транзисторе
отсутствуют процессы накопления и
рассасывания объемного заряда неосновных
носителей, оказывающих заметное влияние
на быстродействие биполярного транзистора.

Модуляция ширины канала

Врабочем режиме по каналу протекает
ток IС,
поэтому потенциалы раз­личных
поперечных сечений оказываются
неодинаковыми, рис.9.5 (для примера показан
транзистор с каналом p-
типа, напряжение на затворе – положительное,
а на стоке – отрицательное).

Рис. 9.5Модуляция шириныp-
канала

ПотенциалUCх,
распре­деленный вдоль канала, меняется
от 0 (у
земляного вывода) у истока до UCу стока.

Оба напряженияUЗИ(положительное)иUCх(отрицательное)являются запирающими
для p-n
перехода.

Наибольшим будет сечение
канала возле истока, где напряжение на
переходе Upn= U3И,
и наименьшим возле стока, где Upn=UЗИ
– Uc.

Если увеличивать напряжение
на стоке Uc,
то увеличение IС,
начиная с некоторого

значения Uc,
прекратиться, т.к.
сужение канала будет увеличивать его
сопро­тивление и увеличения тока,
несмотря на увеличение напряжения,
происходить не будет. Этот процесс
называется насыщением.

При относительно большом
напряжении Uc,
когда UСИ
+ U3И
> Upn
допуст,
в сто­ковом участке обратно включенного
управляющего p-n
перехода возникает электрический
лавинный пробой и IС
резко
возрастает. Этот ток замыкается через
электрод затвора.

Условное графическое обозначениеполевого транзистора с управляющимp-nпереходом:

Рис. 9.6Условные
обозначения полевого транзистора,
имеющего канал n-типа (а) и

p-типа (б). Стрелка в выводе
затвора указывает направление прямого
тока через р-n
переход

Статические ВАХ ПТ с
управляющим р –n
переходом

1. Статическая стоковая характеристика

Ic
= f(Uc)
при UЗИ
= const,
см.рис.9.7

Рис.
9.7 Стоковая характеристика

При UЗИ
< Uпор
– транзистор закрыт, и его ВАХ подобна
обратной ветви полупроводникового
диода (нижняя кривая на рис.9.7).

Она практически совпадает с осью
напряже­ний, отклоняясь от нее в
области электрического пробоя.

При U3И
= 0и малых значениях UСИ
ток стока изменяется
прямо пропорционально с изменением
на­пряжения (участок
АБ).

В точке БВиз-за заметного сужения
стокового участка канала и уменьше­ния
его общей проводимости намечается
некоторое отклонение характеристики
от прямой линии.

На участке БВсущественное сужение
стокового участка канала и значи­тельное
уменьшения его общей проводимости
вызывают замедление роста тока IСс увеличением UСИ.

В точке В,при UСИ
насток
стока достигает величины IС
наси
в дальнейшем остается почти неизменным.