3.5. Параметры предельных режимов работы транзистора

Максимально – допустимыми параметрами называются значения режимов транзистора, которые нельзя превышать и при которых обеспечивается заданная надежность. К ним относятся предельные постоянные и импульсные токи и напряжения между электродами, а также максимальная мощность рассеяния.

Максимальные напряжения ограничиваются пробивными напряжениями переходов, а мощности и токи – тепловым пробоем. Для определения предельной мощности вводятся тепловые параметры: максимальные температуры работы и окружающей среды, а также тепловые сопротивления корпус – переход и переход – окружающая среда. Тепловое сопротивление оценивает, насколько повысится температура перехода при соответствующем значении рассеиваемой мощности. Определяется это сопротивление по формуле:

где: R_{пк -} тепловое сопротивление переход-корпус; t_п - температура перехода; t_к - температура корпуса; P –мощность рассеивания.

Повышение температуры приводит к росту тока I_кбо и смещению рабочей точки в сторону больших токов коллектора. С ростом температуры растут также время жизни носителей, коэффициент  , сопротивление базы r_б , поскольку уменьшается проводимость полупроводника, снижается сопротивление коллектора r_к. Рабочая точка смещается в сторону роста коллекторного тока за счет подъема характеристик транзистора.

Глава 4. Полевые транзисторы

1. Принцип действия полевого транзистора

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал, управляемый электрическим полем. Характерной особенностью полевых транзисторов являются высокий коэффициент усиления и высокое входное сопротивление.

Известны два типа полевых транзисторов: с управляемым p-n переходом и с изолированным затвором.

Действие полевого транзистора с управляемым p-n переходом основано на зависимости толщины пространственного заряда p-n перехода от приложенного к нему напряжения. В пластинке полупроводника, не охваченной запирающим слоем, образуется токопроводящий канал. Если включить источник питания U_си , то через пластинку между невыпрямляющими контактами потечет ток. Средняя часть пластинки - проводящий канал, электрод, через который втекают носители заряда, называется истоком, а через который они вытекают - стоком.

а) б) в)

Рис.33. Схема полевого транзистора с управляемым p-n переходом

Управляющий электрод называют затвором. Величина тока в канале зависит от сопротивления пластинки между истоком и стоком.

Источник питания U_зи создает отрицательное напряжение на затворе, что приводит к увеличению толщины запирающего слоя и уменьшению сечения канала, а это, в свою очередь, меняет и величину тока. Поскольку p-n переход смещен в обратном направлении, входное сопротивление весьма велико. Рост запирающего напряжения U_зи может привести к полному перекрытию канала. Такой уровень напряжения на затворе называется пороговым или напряжением отсечки.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (сокращенно МДП или МОП транзисторы), имеющие две разновидности, могут иметь один или несколько затворов, изолированных от проводящего канала и друг от друга.

а) б) в)

Рис. 34.Схема полевого транзистора с изолированным затвором с встроенным каналом

У МДП транзистора со встроенным каналом основой является пластинка слабо легированного кремния. Области стока и истока соединены проводящим каналом и обладают более высокой проводимостью. На рисунке (Рис.34,а) основа - кремний р-типа, сток, исток и канал - n⁺-типа. Затвор выполнен металлическим слоем, отделенным от канала слоем диэлектрика. При подаче на затвор положительного или отрицательного напряжения меняется концентрация носителей заряда в канале, а значит и его проводимость. В рассматриваемом примере при приложении положительного напряжения канал обогащается электронами, а при подаче отрицательного напряжения - обедняется. Это меняет проводимость канала и ток во внешней цепи.

Рис.35. Схема полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом

У МДП транзистора с индуцированным каналом зоны истока и стока разделены зоной полупроводника обратной проводимости, (Рис.35,а) поэтому при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует и тока во внешней цепи нет. У МДП, показанного на рисунке, подложка выполнена из слаболегированного кремния р-типа, сток и исток - из сильно легированного полупроводника n⁺-типа. Металлический затвор отделен диэлектриком. Пока на затвор не подано напряжение, выходной ток при U_си не равном нулю отсутствует, поскольку один из р-n переходов заперт. При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения поверхностный слой полупроводника под затвором обогащается электронами, n-области стока и истока замыкаются через образующийся канал. При подаче отрицательного напряжения происходит обогащение дырками и проводящий канал не образуется.

2. Эквивалентная схема, параметры и характеристики полевых транзисторов

Эквивалентная схема полевого транзистора приведена на рисунке 36. ЗдесьR_зс и R_зи - эквивалент распределенных сопротивлений затвора относительно областей истока и стока. R_и и R_с - сопротивления участков от контакта истока и стока до канала. Усилительные свойства представлены генератором I_г= s_т U_зи и внутренним дифференциальным сопротивлением канала R_i = U_си / I_с при U_зи = const.

С

Рис.36 Схема замещения

полевого транзистора

татические входные и выходные характеристики полевого транзистора с управляемым переходом показаны на рисунке (33,б; 33в). Участок аб соответствует открытому состоянию канала приU_з = 0. При большом токе I_с из-за падения напряжения на канале сечение канала вблизи стока уменьшается, отчего

рост тока снижается. Участок ВГ - насыщение. Подача запирающего напряжения приводит к уменьшению сечения канала и более раннему насыщению. Рабочая зона располагается справа от штриховой линии.

На рис. 34,б; 34,в приведены входная и выходные характеристики МДП транзистора со встроенным каналом n -типа. В зависимости от величины и полярности напряжения на затворе характеристики смещаются в сторону меньших или больших токов. На рис.35,б; 35,в приведены характеристики МДП транзистора с индуцированным каналом. В зависимости от типа проводимости полупроводника управление осуществляется положительным

(n - канал) или отрицательным (p- канал) напряжением. На рисунках приведены характеристики для канала n -типа.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1. Максимальное значение тока стока I_ст - значение в точке, близкой к пробою

при U_зи = 0 (достигает 50 мА).

1. Максимальное напряжение цепи сток-исток U_{си макс.} = (0,65 - 0,8)U_пробоя

при U_зи = 0. (до 50 В).

2. Напряжение отсечки U_зио - напряжение на затворе при I_с = 0. (до 0,8 - 10 В).

3. Внутреннее сопротивление R_i = dU_си / dI_с при U_зи =const. (до 0,02 - 0,5 Мом).

4. Крутизна стоковой характеристики s = dI_с / dU_зи при U_си= const. (до 0,3 - 0,7 мА/В) определяет влияние напряжения на затворе на выходной ток транзистора.

5. Входное сопротивление r_вх = dU_зи / dI_з при U_си = const. (до 10⁸ - 10⁹ Ом у транзистора с управляемым переходом, до 10¹² - 10¹⁴ Ом для МДП транзисторов) определяется сопротивлением обратно смещенных переходов.

6. Межэлектродные емкости С_си и С_зи определяют максимальную частоту.

f_макс = 1 / 2R_канала C_зи . (до 6 - 20 пФ)

7. Остаточный ток в стоковой цепи I_{с ост} при U_зи > U_зио

8. Предельные параметры:

U_{с макс.} - допустимое напряжение цепи сток-исток;

U_{зи макс.} - допустимое напряжение цепи затвор-исток;

P_макс. - допустимая мощность рассеяния.