Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

81

Эмиттерный и коллекторный p–n переходы транзистора аналогичны p–n переходу диода. Если к одному из p–n переходов приложить напряжение, а выводы другого p–n перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через данный p–n переход, увеличится из–за изменения распределения носителей заряда в базе. Тогда токи через переходы запишутся так:

			qUэб						qUбк
I = I	эбк	(e kT		−1) ; I	2	= I	кбэ	(e kT		−1),	(3.19)
1

где Iэбк – тепловой ток эмиттерного перехода, измеренный при замкнутых

накоротко выводах базы и коллектора;

Iкбэ – тепловой ток коллекторного перехода, измеренный при замкнутых

накоротко выводах базы и эмиттера

Необходимо помнить, что Iэбк, Iкбэ – это тепловые токи, а не обратные

токи переходов.

Положительными считаются токи I1, I2 и напряжения Uбэ, Uбк, соот-

ветствующие прямым включениям переходов.

В простейшей модели диоды VD1 и VD2 отображают инжекцию (экс-

тракцию) носителей через эмиттерный и коллекторный переходы. Связь между тепловыми токами p–n переходов Iэбо, Iкбо , включенными раздельно, и тепло-

выми токами Iэбк и Iкбэ получим из (3.18) и (3.19).

Допустим, что Iэ = 0,

I1 = αiI2

и при

Uкб

< ϕТ

I2 = −Iкбэ получим

Iкбэ =

Iкбо

; Iэбк =

Iэбо

.

(3.20)

1

−αiαn

1−αiαn

Тогда токи Iк

и Iэ запишутся в следующем виде

Iэбо

qUэб

αiIкбо

(e

qUбк

Iэ = −

(e kT

−1) +

kT

−1);

(3.21)

1

−αiαn

1−αiαn

αnIэбо

qUэб

Iкбо

qUкб

Iк =

(e kT

−1) −

(e kT −1) .

(3.22)

1

1−αiαn

−αiαn

Полученные уравнения (3.21), (3.22) непосредственно определяют эмиттерный и коллекторный токи транзистора в соответствии с первым законом Кирхгофа (сумма всех токов в электрическом узле равна нулю), они также определяют и базовый ток прибора

Iб = Iэ −Iк.

(3.23)

Из выражений (3.21–3.23) можно получить аналитические описание для любого семейства характеристик при любой схеме включения. Уравнение (3.21) определяет семейство входных статических характеристик для схемы с ОБ. Решив уравнение (3.22) относительно Iк и учитывая, что в транзисторе в

общем случае справедливо равенство

αnIэбо = αiIкбо,

82

получим выражение

qUкб
Iк = αnIэ − Iкбо(e kT −1),	(3.24)

которое описывает выходные характеристики транзистора.

Решив уравнение (3.21) относительно Uэб , получим выражение для идеализированных входных (эмиттерных) характеристик транзистора Uэб = f (Iэ)

при Uкб= const

		kT		Iэ		qUкб
	Uэб =		ln(		+1+ αn (e kT −1) .			(3.25)
		q		Iэбо

Модель Эберса–Молла описывает поведение транзистора в различных режимах работы, что может быть учтено выбором соответствующей полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах.

3.9. Частотные свойства транзисторов

Важным параметром транзистора в активном режиме является время пролета неосновных носителей через область базы, которое в основном определяет частотные свойства транзистора. Последние сильно проявляются при работе транзистора в усилительных устройствах. С ростом частоты входного сигнала усилительные свойства транзистора ухудшаются: падают коэффициенты усиления по напряжению, мощности, появляется фазовый сдвиг между выходным и входным токами.

На инерционные свойства транзистора сильное влияние оказывают:

–время пролета неосновных носителей в области базы от эмиттерного к коллекторному переходу;

–емкости эмиттерного и коллекторного переходов Cэ,Cк;

–объемное сопротивление базы rб.

Инерционные свойства транзистора достаточно полно оцениваются коэффициентом передачи входного тока в диапазоне усиливаемых частот. Если период колебаний напряжения на эмиттерном переходе в схеме с ОБ значительно больше времени пролета неосновных носителей в области базы, то все токи в электродах транзистора совпадают по фазе (рис. 3.22,а). Коэффициенты передачи входных токов h21б и h21э вещественны. С повышением

частоты период усиливаемых колебаний

83

может оказаться сравнимым с временем пролета носителей в области базы. Это приводит к отставанию по фазе коллекторного тока от эмиттерного

(рис. 3.22,б).

Это отставание тока вызвано тем, что при прямом смещении эмиттерного перехода входным сигналом в базу инжектируются носители, которые не успевают достичь коллекторного перехода. Наличие фазового сдвига (рис. 3.22,б) между токами коллектора и эмиттера свидетельствует о том, что коэффициент передачи является функцией частоты.

Для схемы с ОБ комплексный коэффициент передачи тока эмиттера аппроксимируется выражением

h21б( jf ) =

&I

к

=

h21б( jf )

e

jϕh

21б .

(3.26)

&Iэ

и фазового сдвига от частоты имеют вид

Зависимость модуля h21б

h21б( jf ) =

h21б

2

,

(3.27)

1

f

+

f

h

21б

f

ϕ

h21б

(f ) = −arctg

.

(3.28)

f

h21б

Частота fh21б , на которой коэффициент передачи эмиттерного тока

уменьшается в 2 раз (на 3 дБ) по сравнению с низкочастотным значением, называется предельной частотой коэффициента передачи эмиттерного тока. Предельная частота является критерием классификации транзисторов по частотному диапазону. На рис. 3.23 изображены зависимости h21б и ϕ от частоты.

Воспользовавшись взаимосвязью коэффициентов передачи токов базы и эмиттера можно найти частотную зависимость коэффициента передачи тока эмиттера h21э .

	h21э( jf ) =			h21б( jf )	. (3.29)
		1		− h21б( jf )
					h21э и
	Зависимость модуля

фазового сдвига от частоты имеют вид

84

h	21э(f ) =		h21э				2	;	(3.30)
						f
			1+
			f
						h21э
						f
ϕ	h21э	= −arctg					.		(3.31)
			f
					h21э

Частота fh21э , на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера

уменьшается в 2 раз по сравнению с его низкочастотным значением, называется предельной частотой коэффициента передачи тока эмиттера.

Сравнивая выражения (3.27) и (3.30) можно установить, что частотные свойства транзистора, включенного по схеме с ОЭ, значительно хуже, чем при включении по схеме с ОБ. Это связано с увеличением фазового угла ϕh21э меж-

ду эмиттерным и коллекторным токами.

Практически частота f h21э сравнительно невелика – транзистор может работать и на более высоких частотах. Частота fгр, на которой модуль коэффициента передачи тока базы h21э становится равным единице, называется гра-

ничной частотой транзистора. Увеличение частоты приводит к уменьшению h21б и h21э, что вызывает уменьшение коэффициента усиления по мощности.

В качестве обобщающего параметра транзистора, характеризующего его инерционные свойства, используют максимальную частоту генерации, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице kp =1

	fмакс =	fгр	.	(3.32)
		30rбСк

Чем выше граничная частота транзистора и меньше постоянная времени коллекторной цепи τ = rбСк, тем лучше частотные свойства транзистора.

3.10. Параметры биполярных транзисторов

1. Коэффициенты передачи базового и эмиттерного токов

h21э =	∆Iк		U	кэ	=const
	∆Iб
h21б =	∆Iк		U	кб	=const
	∆Iб

(десятки–сотни раз);

(0,95…0,9995).

2. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении

Iкбо = Iк при Iэ = 0 (единицы нА – десятки мА).

85

3. Максимально допустимый ток коллектора Iк макс (сотни мА – десятки

А).

4. Наибольшая мощность рассеиваемая коллекторным переходом Pк макс

(единицы мВт – десятки Вт).

5. Предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера fh21э – час-

тота, на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера уменьшается в 2 раз по сравнению со своим низкочастотным значением.

6.Граничная частота коэффициента передачи тока эмиттера – это частота, на которой h21э →1.

7.Максимальная частота генерации fмакс – наибольшая частота, на которой транзистор может работать в схеме автогенератора и коэффициент усиления по мощности становится равным единице. Максимальная частота генерации определяет область частот, в которой транзистор остается активным элементом электрической цепи.

8.Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

	rэ диф =	∆Uэб			Uкэ =const (единицы – десятки Ом).
		∆Iб

9.Объемное сопротивление области базы r'б (десятки – сотни Ом).

10.Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода или выходная проводимость

	1			∆Uкэ			Iб =const .
	rк диф =		=
		h22э		∆Iк

11.Емкость коллекторного перехода (единицы – десятки пФ).

12.Коэффициент обратной связи по напряжению h12б (10-3…10-4).

86

ГЛАВА 4 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Полевым транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а модуляция тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде. Полевые транзисторы бывают двух разновидностей: с управляющим p–n переходом и с изолированным затвором (МДП или МОПтранзисторы).

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком. Электрод, являющийся приемником движущихся основных носителей, называют стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором.

Структура полевого транзистора с управляющим p–n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 4.1,а.

Полевой транзистор с управляющим р–n переходом представляет собой транзистор, затвор которого отделен от канала p–n переходом. Полевой транзистор состоит из пластины полупроводникового материала, которая может служить каналом, а с торцов пластины изготовлены два омических контакта, называемых истоком и стоком. Канал может иметь электропроводность как n-, так и p-типа. В связи с этим полевые транзисторы с управляющим p–

87

n переходом бывают с n- и p-каналами (рис. 4.1,г,д). Напряжение источника питания Uси прикладывается к промежутку стоком-исток таким образом, чтобы поток основных носителей (в канале n-типа – электроны) двигался от истока к стоку. К промежутку затвор-исток прикладывается напряжение Uзи, запирающее управляющий p-n-переход транзистора. При изменении обратного напряжения на p–n переходе изменяется площадь поперечного сечения канала и его сопротивление, а значит и величина тока, протекающего через канал (рис. 4.1,в). В цепи затвора протекает малый обратный ток, в связи с этим необходима малая мощность от источника сигнала в цепи затвора для управления током стока.

Управление толщиной канала осуществляется напряжением Uзи, т.е. электрическим полем, возникающем в запирающем слое, без осуществления инжекции носителей. Поэтому такие транзисторы называются полевыми. Отличие полевого транзистора от биполярного заключается:

1)в принципе действия – биполярный транзистор управляется током, а полевой – напряжением или электрическим полем;

2)в большом входном сопротивлении (более 109…1010 Ом), что связано с малым током затвора;

3)в низком уровне шумов.

При прямом включении управляющего p–n перехода возникает относительно большой прямой ток затвора, и сопротивление участка затвор-исток резко уменьшается, поэтому нецелесообразно применять на практике такое включение.

При увеличении обратного напряжения на затворе запирающий слой p– n перехода расширяется, уменьшая сечение канала. При некотором напряжении на затворе может произойти перекрытие канала, и в цепях истока и стока начнут протекать небольшие обратные токи (рис. 4.1,б).

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал перекрывается, а его сопротивление стремится к бесконечности и ток стока достигает заданного низкого значения Ic обр, называют напряжением отсечки Uзи отс. При Uзи отс транзистор должен закрываться полностью, но из-за наличия малых токов утечки и трудности их измерения, Uзи отс определяется при заданном малом значении Ic обр. В справочнике на каждый транзистор указывается ток стока, при котором измерено Uзи отс.

Статические характеристики

Наличие большого входного и выходного сопротивлений в полевом транзисторе позволяет исследовать статические характеристики с помощью генераторов напряжения. Полевой транзистор с управляющим p–n переходом описывается тремя статическими характеристиками:

1. Выходные (стоковые) характеристики Ic = f (Uси) при Uзи=const.

			88
2. Сток-затворные	характеристики	(характеристики	передачи)

Ic = f (Uзи) при Uси=const.

3.Входные (затворные) характеристики Iз = f (Uзи) при Uси=const.

Вид семейства статических стоковых характеристик представлен на рис. 4.2.

Рассмотрим стоковую характеристику транзистора с каналом n-типа, снятую при Uзи=0. При подаче на сток положительного относительно истока напряжения (рис. 4.2) начинается движение носителей заряда (электронов) от истока через канал к стоку. Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока, то наблюдалась бы линейная зависимость тока стока Ic от напряжения Uси. Ток стока Ic создает на объемном сопротивлении канала падение напряжения, что вызывает

увеличение толщины запирающего слоя вблизи стока, сужение поперечного сечения канала и уменьшение проводимости канала (рис. 4.1,б,в).

Ширина p–n перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где имеет место наибольшее значение падения напряжения, вызванного протеканием тока Ic через канала. Наибольшее сечение канала будет около истока, а наименьшее – около стока, где напряжение на p–n переходе равно

Uзи + Uси .

Увеличение напряжения сток-исток Uси вызывает увеличение Ic, и напряжение на p–n переходе возле стокового вывода может достигнуть значения, равного |Uзи отс|, при котором в сечении канала около стока должно произойти перекрытие.

На практике полного перекрытия канала и отсечки тока стока не происходит. Около стока остается узкая токопроводящая перемычка (горловина канала), в которой напряженность электрического поля достигает критического значения, а скорость дрейфа носителей – скорости насыщения (Vn макс = const), которая определяет постоянную плотность дрейфового тока

jn др = qnVn макс = const .

При дальнейшем увеличении напряжения стока горловина удлиняется и на ней падает все дополнительное напряжение стока, сверх того значения, при котором произошло условное перекрытие канала. В результате происходит не отсечка, а лишь ограничение роста тока, ток стока становится практически независимым от приложенного напряжения Uси.

89

Если Uзи=0, то напряжение Uси, при котором происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины p–n перехода называют напряжением насыщения (перекрытия) Uси пер(нас). Ток стока, при котором происходит перекрытие канала, называют начальным током стока Iси нач, ему соответствует начало пологого участка стоковой характеристики. Если к затвору полевого транзистора приложить обратное напряжение Uзи≠0, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения Uси, рис. 4.2.

К p–n переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение величиной Uзи + Uси . Перекрытие канала происходит, когда на-

пряжение, приложенное к p–n переходу, достигает напряжения отсечки

U'си нас

+

U'зи отс

=

Uзи отс

=

Uси нас

.

(4.1)

При значительном увеличении напряжения Uси у стокового вывода может произойти электрический (лавинный) пробой p–n перехода, ток стока резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

На стоковых характеристиках можно выделить две рабочие области: АВ и ВD (рис. 4.2). Область АВ называют крутой областью характеристики, область ВD – пологой или областью насыщения. При малых значениях Uси ток стока изменяется прямо пропорционально изменениям напряжения (участок АВ). Наклон этого участка соответствует полностью открытому каналу и прямо пропорционален его проводимости. С увеличением Uси (точка B) на росте Ic начинает сказываться сужение канала, которое приводит к уменьшению его проводимости и характеристика отклоняется от прямой линии.

При подаче на затвор обратного напряжения и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Это приводит к изменению наклона начальных участков стоковых характеристик, что соответствует большим начальным статическим сопротивлениям канала.

Геометрическое место точек, соответствующих условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения, показано штрих-пунктирной линией

(рис. 4.2).

В крутой области стоковых характеристик транзистор можно использовать, как электрически управляемое сопротивление. Пологий участок характеристик является рабочим при использовании при работе транзистора в усилительных устройствах.

Ток стока для крутой области характеристик полевого транзистора с управляющим p–n переходом достаточно точно описывается аналитической зависимостью

	Ic =	2Ic нач	Uси(Uзи − Uзи отс −	U	си	) .	(4.2)
		Uзи2 отс		2

При работе в пологой области вольтамперной характеристики ток cтока представляется выражением

90

Ic = Iс нач(1−	Uзи	)	2	,	(4.3)
	Uзи отс

где Iс нач – начальный ток стока при Uзи= 0 и рабочем напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения.

Характеристика передачи, называемая часто сток-затворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, представляет собой зависимость Ic = f (Uзи) при различных напряжениях на

стоке в режиме перекрытия канала (рис. 4.3). Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, то характеристика описывается уравнением (4.3). При изменении напряжения на стоке смещением характеристик передачи можно пренебречь ввиду малого изменения тока стока в пологой области стоковых характеристик.

При увеличении обратного напряжения на p–n переходе уменьшается сечение канала, что приводит к уменьшению тока стока. При Uзи = Uзи отс через канал протекает обратный ток стока малой ве-

личины, и это может быть использовано для ориентировочного определения напряжения отсечки.

Характеристика передачи может быть получена экспериментально или с помощью перестройки стоковых характеристик.

Входная (затворная) характеристика полевого транзистора с управляющим p–n переходом (рис. 4.4) представляет собой обратную ветвь волътамперной характеристики p–n перехода. Изменение напряжения Ucи влияет на распределение поля в канале, что вызывает изменения тока затвора. Наибольшего своего значения, которое называется током утечки, ток затвора достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока, однако оно очень мало и им часто пренебрегают.

4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Характерное отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика. В этом качестве чаще используется слой двуокиси кремния, выращенный на поверхности кристалла кремния путем вы-