1) Температурное свойство транзисторов

2) Частотное свойство транзисторов

3) Фототранзисторы

1) Температурное свойство транзисторов. Диапазон рабочих температур транзистора определяется температурными свойствами p-n перехода. При его нагревании от комнатной температуры (25 ºC) до 65 ºC сопротивление базы и закрытого коллекторного перехода умень- шается на 15 – 20 %. Особенно сильно нагревание влияет на обратный ток коллектора Iкбо. Он увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10ºC. Всё это влияет на характеристики транзистора и положение рабочей точки (смотрите Рис. 88).

Iк

Iкн

_t2^o_>t1^o

Iк' Iк

РТ '

РТ

t1^o

_Ек

Uкэ' Uкэ

_{Рис. 88}

Uкэ

Ток коллектора увеличивается, а напряжение Uкэ уменьшается, что равносильно открыванию транзистора. Вывод: схемы включения транзисторов с общим эмиттером требуют температур- ной стабилизации.

2) Частотное свойство транзисторов. Диапазон рабочих частот транзистора определя- ется двумя факторами:

 Наличие барьерных ёмкостей на p-n переходах. Коллекторная ёмкость влияет значительно сильнее, так как она подключается параллельно большому сопротивлению (смотрите Рис.

_89).

rб

Uвх

rк

_Ск

^{Сэ rэ}

Iб

_Rн

Рис. 89

 Возникновение разности фаз между токами эмиттерами и коллектора. Ток коллектора от- стаёт от тока эмиттера на время, требуемое для преодоления базы носителями заряда.

_{1) ω1 = 0, φ1 = 0}

1 

Iк

_Iб1

^Iб1 _ ^Iэ

_Iк

Рис. 90

2) ω2 > 0, φ2 = 0, Iб2 > Iб1,

_Iэ Iб2

 2 

Iк

Iб2

 1

_{ 2}

Рис. 91

3) ω3 >> 0, β3<<β1

Iэ

Iк

_Iб3

_{ 3}

Iк

_{Рис. 92}

С увеличением частоты коэффициент усиления по току уменьшается. Поэтому для оценки ча- стотных свойств транзистора применяется один из основных параметров - параметр гранич- ной частоты fгр. Граничной частотой называется такая частота, на которой коэффициент уси- ления уменьшается в √2 раз. Коэффициент усиления через граничную частоту можно опреде- лить по формуле

_{ } ^o

₂





_1 ^{ f }

_ ^fгр _

βo – коэффициент усиления на постоянном токе

f – частота, на которой определяется коэффициент усиления β.

3) Фототранзисторы. Фототранзистором называется фотогальванический приёмник све- тового излучения, фоточувствительный элемент которого представляет собой структуру тран- зистора, обеспечивающую внутреннее усиление (смотрите Рис. 93).

Ф

Iк

_{Э К}

n р n

Ф4>Ф3

Ф3>Ф2

Uвх _Rн

_Б

Ф2>0

_Ф1=0

_{Рис. 93}

Uкэ

При освещении базы в ней происходит фотогенерация носителей зарядов. Неосновные носи- тели заряда уходят в коллектор через закрытый коллекторный переход, а основные скаплива- ются в базе, повышая тем самым отпирающее действие эмиттерного перехода. Ток эмиттера, а следовательно, ток коллектора возрастает. Значит, управление коллекторным током фототран- зистора осуществляется током базы транзистора.Фототранзистор может включаться с отключенной базой,тогда его работа управляется только светом;а также может включаться с подключенной базой,тогда его работа управляется светом и электрически.Фототранзистор на порядок чувствительнее фотодиода.

Полевые транзисторы

Представление о полевых транзисторах

1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

2) Характеристики и параметры полевых транзисторов

3) Полевые транзисторы с изолированным затвором

4) Полевые транзисторы для ИМС, репрограммируемых постоянных запо- минающих устройств (РПЗУ)

1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим

p-n переходом. Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электриче- ского поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, ко- торое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

_{+ -}

_{- +}

-

p p n n _n + _p

₊ ^и _{- -} ^и ₊

Рис. 94

_{Несколько определений:}

Рис. 95

 Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, назы- вается истоком.

 Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называ- ется стоком.

 Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

 Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p- n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа изображе- но на рисунке 96, а с каналом p-типа на рисунке 97.

_с с

з и

Рис. 96

з и

_{Рис. 97}

_{Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.}

- ^з

U з и

₊

Iс ₊

с

U см p p

⁺ _n

^и _-

Р ис . 9 8

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение меж- ду стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутрен- ним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличива- ется, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может уве- личиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки. Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято гово- рить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

2) Характеристики и параметры полевых транзисторов. К основным характери- стикам относятся:

 Стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на за- творе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Iс

_{''n'' ''p''}

^{2 Iс}₂

₁

^Iс₁

Uотс Uзи1 Uзи2 Uотс Uзи

Рис. 99

 Стоковая характеристика – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе (смотрите Рис. 100). Ic = f (Uси) при Uзи = Const

_Iс Uзи

|Uзи|>0

|Uзи2|>|Uзи1|

_{|Uзи3|>|Uзи2|}

Рис. 100

_{1) Напряжение отсечки.}

Uси

Основные параметры:

2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изме- нится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В.

_{S } ^Iс _{приUси  Const}

^Uзи

_{S } ^{Iс2  Iс1}

Uзи2  Uзи1

3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.

_{Ri } ^Uси _{приUзи  Const}

Ic

Iс

Iс2

Iс1

Uзи

|Uзи|>0

|Uзи2|>|Uзи1|

_{|Uзи3|>|Uзи2|}

Uси1 Uси2

Рис. 101

4) Входное сопротивление.

_{Rвх } ^Uзи _{ 10}⁹ _Ом

Iз

Uси

Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять

собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротив- ления Rвх будет очень велика и может достигать 10⁹ Ом.

3) Полевые транзисторы с изолированным затвором. Данные приборы имеют за- твор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектри-

ка, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолирован- ным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП – транзисторы могут быть двух видов:

 Транзисторы со встроенным каналом

 Транзисторы с индуцированным каналом.

Транзистор со встроенным каналом.

_{Основой такого транзистора является кристалл кремния p- или n-типа проводимости.}

_- ^{К а на л}

^{з S iO 2} ₊

_n⁺

n⁺ n⁺

_{По дло жка p} ^-

Р ис . 1 0 2

Для транзистора с n-типом проводимости: Uзи = 0; Ic1;

Uзи > 0; Ic2 > Ic1; Uзи < 0; Ic3 < Ic1; Uзи << 0; Ic4 = 0.

Принцип действия.

Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т. е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положи- тельного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится.

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю.

Вывод: МОП – транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогаще- ния, так и в режиме обеднения зарядов.

Iс

^"p" _"n"

Uотс Uзи

Рис. 103

Транзисторы с индуцированным каналом.

Uз = 0; Ic1 = 0;

Uз < 0; Ic2 = 0; Uз > 0; Ic3 > 0.

Iс

_и ^з _с

_n+ _n+

_{По дло жка p} ^-

"p" "n"

Р ис. 1 0 4

_Uз

Рис. 105

При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носите- ли заряда подложки p-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит кон- центрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образу- ется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток.

Вывод: МОП – транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обо- гащения.

МОП – транзисторы обладают бόльшим входным сопротивлением, чем транзисторы с управ- ляемым переходом. Rвх = (10¹³ ÷ 10¹⁵) Ом.

4) Полевые транзисторы для ИМС РПЗУ. В интегральных микросхемах РПЗУ в виде ячейки для хранения 1бит информации используются полевые транзисторы МНОП или МОП - транзисторы с плавающим затвором. Аббревиатура МНОП расшифровывается следую- щим образом. М - металл, Н – сплав HSi₃N₄, О – оксид металла, П – полупроводник.

Принцип действия этих транзисторов основан на том, что в сильных электрических полях электроны могут проникать в диэлектрик на глубину до 1мкм.

МНОП-структура транзистора изображена на Рис. 106.

_з S i₃ N₄

_{S iO}

и ² с

_n+ _n+

_{П о д ло жка p} ^-

Р ис . 1 0 6

Транзисторы структуры МНОП имеют двухслойный диэлектрик. Первый слой, толщиной ме- нее 1мкм – это окись кремния, второй слой – толщиной несколько микрон – нитрид кремния. Без программирования этот транзистор работает как обычный МОП – транзистор и содержит логическую единицу информации.

^Iс _"1"

_"0"

Uз=5В Uд

Рис. 107

Для программирования логического нуля на затвор подают кратковременное напряжение (U =

25 ÷ 30В). Под действием этого напряжения электроны проходят слой окиси малой толщины, но не могут пройти слой нитрида кремния и скапливаются на границе этих слоёв. Поскольку напряжение кратковременно, то они остаются на границе слоёв этих диэлектриков. Остав- шись, электроны создают объёмный отрицательный заряд, который может храниться сколь угодно долго. За счёт этого заряда возникает электрическое поле, противодействующее полю затвора. Чтобы индуцировать канал в транзисторе, на затвор необходимо подавать большее напряжение, чтобы преодолеть действие поля объёмного заряда. Это соответствует сдвигу сто- козатворной характеристики вправо по оси напряжений. При подаче на затвор импульса запроса 5В канал индуцироваться не будет, ток стока и ток в нагрузке отсутствуют, и на на- грузке будет уровень логического нуля.

Для стирания информации на затвор подают также напряжение 25 ÷ 30В, только отрицатель- ной полярности.

Структура МНОП – транзисторов с плавающим затвором.

В слое окисла кремния создаётся область из алюминия или поликристаллического кремния на

расстоянии менее 1мкм от полупроводника (смотрите Рис. 108).

_з A l или S i

_{S iO}

и ² с

_n+ _n+

_{По дло жка p} ^-

Р ис . 1 0 8

Принцип действия МОП – транзисторов с плавающим затвором точно такой же, как у транзи- сторов МНОП, только при программировании электроны скапливаются в плавающем затворе из алюминия или кремния. Стирание информации осуществляется ультрафиолетовым облуче- нием.

_{Тиристоры}

Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последо- вательно чередующихся областей p- и n – типов проводимости.

Первый вид тиристоров – это динисторы.

 Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переключательные диоды.

 Тринисторы – это управляемые переключательные диоды.

 Симисторы – это симметричные тиристоры, т. е. тиристоры с симметричной ВАХ. Рассмотрим эти приборы.

1) Устройство и принцип действия динисторов.

2) Основные параметры тиристоров.

3) Тринисторы.

4) Понятие о симисторах.

1) Устройство и принцип действия динисторов. Наружная p-область и вывод от неё называется анодом (смотрите Рис. 109).

	А "+"
p
n
p
n
	К "-"

Э.П.

Б1

К.П.

Б2

_Э.П.

Рис. 109

Наружная n-область и вывод от неё называется катодом. Внутренние p- и n-области называют- ся базами динистора. Крайние p-n переходы называются эмиттерными, а средний p-n переход называется коллекторным. Подадим на анод «-», а на катод «+». При этом эмиттерные перехо- ды будут закрыты, коллекторный открыт. Основные носители зарядов из анода и катода не смогут перейти в базу, поэтому через динистор будет протекать только маленький обратный ток, вызванный не основными носителями заряда.

Если на анод подать «+», а на катод «-», эмиттерные переходы открываются, а коллекторный закрывается.

_I

U

Рис. 110

Динисторы применяются в виде бесконтактных переключательных устройств, управляемых напряжением.

Принцип действия.

Основные носители зарядов переходят из анода в базу 1, а из катода – в базу 2, где они стано- вятся не основными и в базах происходит интенсивная рекомбинация зарядов, в результате ко- торой количество свободных носителей зарядов уменьшается. Эти носители заряда подходят к коллекторному переходу, поле которых для них будет ускоряющим, затем проходят базу и переходят через открытый эмиттерный переход, т. к. в базах они опять становятся основными. Пройдя эмиттерные переходы, электроны переходят в анод, а дырки – в катод, где они вторич- но становятся не основными и вторично происходит интенсивная рекомбинация. В результате количество зарядов, прошедших через динистор, будет очень мало и прямой ток также будет очень мал. При увеличении напряжения прямой ток незначительно возрастает, т. к. увеличива- ется скорость движения носителей, а интенсивность рекомбинации уменьшается. При увели- чении напряжения до определённой величины происходит электрический пробой коллектор- ного перехода. Сопротивление динистора резко уменьшается, ток через него сильно увеличи- вается и падение напряжения на нём значительно уменьшается. Считается, что динистор перешёл из выключенного состояния во включённое.