Кондратенко Физика полупроводниковыих приборов 2009

RТ = ( tп.max − tс.max )/ Pк.max , можно определить площадь радиатора, соприкасающуюся с окружающей средой, по формуле

S= 600/ R	(результат получается в см2 , если подставлять R в
Т	Т
O С /мВт).	В качестве материала радиатора на практике обычно

используются медь и алюминий, а конструктивно радиаторы выполняются либо в виде пластин из меди толщиной 3–5 мм или из алюминия толщиной 4–8 мм, либо в виде ребристых теплоотводов разной конфигурации. Рекомендуется покрывать радиатор чёрной матовой краской или зачернять его каким-то иным способом. Иногда в качестве радиаторов можно воспользоваться металлическим шасси и стенками блоков аппаратуры. Охлаждение транзисторов улучшается при принудительной вентиляции или помещении их в проточную воду или масло (что актуально для транзисторов большой мощности). Крепление транзистора к радиатору должно обеспечивать надёжный тепловой контакт, что достигается шлифовкой поверхностей, смазкой места соединения специальной мастикой, использованием тонких прокладок из фольги и мягких металлов. При необходимости электрически изолировать транзистор от радиатора применяют прокладки из слюды, полихлорвиниловой плёнки и другие, однако этот способ ухудшает отвод тепла с коллектора транзистора. Выясним, наконец, не выходит ли транзистор, по крайней мере в Р.Т., за пределы максимально допустимых параметров. Из рис. 3.8,б следует, что даже при заданном токе Iб ≈ 36 мкА (когда сопротивление в цепи смещения базы по постоянному току Rб =∞)

пробойные явления, т.е. чрезмерный рост IK , с ростом напряжения Uкэ начинаются лишь при Uкэ ≈ 10 В , а так как в схеме реального

каскада Rб имеет достаточно ограниченную величину (порядка единиц-десятков кОм), то пробойные явления будут появляться при напряжениях Uкэ.max > 10 В, что значительно превышает величину стационарного напряжения Uкэ = 5 В в Р.Т.

31

4. Параметры полевых транзисторов

Условные обозначения, знаки режимных напряжений и токи для различных полевых транзисторов (ПТ) приведены на рис. 4.1. Как указано в п. 1 данного пособия, для этой группы транзисторов используется также альтернативное название “ Униполярные транзисторы” ( УНТ), а одной из разновидностей полевых транзисторов по технологии изготовления являются транзисторы со структурой металл–диэлектрик –полупроводник (МДП – транзисторы) или при использовании в качестве подзатворного диэлектрика двуокиси кремния – транзисторы со структурой металл–окисел–полупроводник (МОП – транзисторы ).

Рис. 4.1. Условные обозначения, знаки режимных напряжений

итоки ПТ (а – ПТ с управляющим pn-переходом,

б– МДП -транзисторы со встроенным,

в– МДП -транзисторы с индуцированным каналом)

32

На рис. 4.1 потенциал истока принят равным нулю, а потенциалы затвора, стока и подложки, необходимые для работы ПТ в линейной области, отмечены знаками + и – ( подложку часто соединяют с истоком, т.е. её потенциал также равен нулю). В усилительных схемах, особенно с низким уровнем шума, часто применяют ПТ с управляющим рn- переходом затвор–канал, работа которых в линейной области обеспечивается при обратносмещённом рn- переходе затвор–канал и при нахождении Р.Т. в пологой области выходных (стоковых) ВАХ (рис. 4.2,а, соответствующий ПТ с n-каналом; управляющее напряжение обратного смещения между затвором и каналом Uзи является параметром семейства ВАХ). На рис. 4.2,б показано семейство ВАХ передачи для пологой области стоковых ВАХ, причём в этой области для различных значений Uси все характеристики семейства практически сливаются в одну линию – стоко –затворную ВАХ.

Рис. 4.2. Выходные и проходные ВАХ ПТ

Стоко-затворную ВАХ можно аппроксимировать выражением:

Iс = Iс.нас.0 (1−U зи /U0 )2 ,

(4.1)

т.е. она представляет собой ветвь параболы, причём величины тока стока насыщения (при Uзи = 0) Iс.нас.0 и напряжения отсечки U 0

обычно приводятся в справочниках. На рис. 4.3 показаны стокозатворные ВАХ, соответствующие пологой области, для МОП –

33

транзисторов со встроенным и с индуцированным каналом n-типа (Uпор – пороговое напряжение затвор–канал), иллюстрирующие отличия этих ПТ от транзисторов с управляющим рn- переходом.

Рис. 4.3. Проходные (стоко-затворные) ВАХ МОП - транзисторов со встроенным и с индуцированным каналом n-типа

Значение Iс однозначно определяет соответствующее ему значение Uзи. Как и в случае биполярных транзисторов, выбрав определённое положение Р.Т., т.е. величины Iс и Uси, необходимо

провести расчёт элементов малосигнальной высокочастотной схемы замещения полевых транзисторов, которая имеет практически одинаковый вид (рис. 4.4) для всех разновидностей ПТ. Заметим, что выбор положения Р.Т. в области малых токов Iс

чреват возрастанием нелинейных искажений, вплоть до захода в область отсечки, а также уменьшением крутизны ПТ, т.е. усилительных возможностей; выбор же Р.Т. в области больших токов Iс приводит к возрастанию потребляемой мощности и к росту линейных искажений из-за увеличения ёмкости рn-перехода Cзи . Обратим внимание на то, что для ПТ с управляющим рn-

переходом недопустим заход в область прямосмещённого рn- перехода затвор– канал, когда напряжение между затвором и истоком становится (для n-канала) положительным (см. рис. 4.2,б).

34

Рис. 4.4. Малосигнальная высокочастотная схема замещения ПТ

В области средних и низших частот (средних и больших времен) получаем эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Эквивалентная схема ПТ в области средних и низших частот (средних и больших времен)

Важнейшим параметром ПТ является его крутизна в рабочей точке:

S =	dIc	= Smax	(1−	Uзи	) , мА/В,	(4.2)
	dU зи
				U0

где Smax = 2Iс.нас.0 /U0 – максимальная крутизна ПТ с управляющим рn-переходом, достигаемая при U зи = 0 в пологой области.

Типичные значения Smax для современных ПТ составляют

единицы или десятки мА/В, т.е. значительно меньше, чем у биполярных транзисторов.

Сопротивление ri – внутреннее (выходное) сопротивление ПТ на переменном сигнале отражает ненулевой наклон стоковой ВАХ

35

в Р.Т. и может быть определено с помощью приращений (см. рис. 4.2,а):

ri = Uси / Iс .

Типичные значения этого сопротивления – десятки килоом, и

оно обратно пропорционально величине Ic .

Иногда используют коэффициент усиления ПТ по напряжению при холостом ходе: µ = sri .

Инерционность ПТ в области высших частот (малых времён) отражена на рис. 4.4 ёмкостями: входной Cзи , проходной Cзс и

выходной Сси . В ПТ с управляющим рn- переходом ёмкости Cзи и

Cзс представляют собой зарядные (барьерные) ёмкости обратносмещённых частей рn- перехода затвор–канал, поэтому они уменьшаются с увеличением (по модулю) напряжений U зи и

U зс = U си + U зи ; ёмкость же Сси является паразитной ёмкостью

между выводами стока и истока. Типичные значения этих ёмкостей – единицы пикофарад. Они также приводятся в справочниках, хотя иногда и в несколько «завуалированной» форме:

С11= Cзи + Cзс , С12= Cзс , С22 = Cзс + Сси .

Для определения нестабильности Р.Т. и для расчёта цепей, обеспечивающих стабилизацию стационарного режима в каскадах на ПТ, необходимо определить физические факторы, приводящие из-за разброса параметров ПТ и изменения температуры

окружающей среды tc к сдвигу Р.Т. К ним относятся, в первую очередь, изменение напряжения отсечки U0 и отклонение от номинального значения тока стока насыщения при U зи =0, т.е.

Iс.нас.0 . Эти отклонения можно определить из следующих выражений:

36

с.нас.0

U0 ≈ ( U0 )темпер. + ( U0 )разбр. ≈ 2

мВ

tc

+ (

U0 )разбр ,

(4.3)

град

Iс.нас.0 ≈ ( Iс.нас.0 )темпер. + (

Iс.нас.0 )разбр. ≈

≈ 10−3 (2S

max

− 6,6I

с.нас.0

)

t

+ (

I

с.нас.0

)

разбр.

,

(4.4)

/с

где Smax следует подставлять в мА/В, а Iс.нас.0

- в миллиамперах,

чтобы результат получался в миллиамперах; слагаемые в этих

формулах берутся по модулю. Отметим, что с ростом tс

напряжение отсечки U0 всегда возрастает, а ток Iс.нас.0 убывает при U0 > 0,6 В и возрастает при U0 < 0,6 В. Такие изменения U0 и

I обусловлены тем, что с ростом tс происходит уменьшение

потенциального барьера в рn-переходе и, как следствие, уменьшение его ширины, а значит, расширяется проводящий канал ПТ. Поэтому увеличивается напряжение отсечки U0 и

уменьшается сопротивление канала (т.е. возрастает Iс.нас.0 ). С

другой стороны, с ростом tс происходит увеличение удельного

сопротивления примесного полупроводника, из которого изготовлен канал, так что сопротивление канала увеличивается (т.е. убывает Iс.нас.0 ). Итоговое изменение тока Iс.нас.0 и в самом деле может оказаться как увеличенным, так и уменьшенным. В отличие

от БТ, где оба физических	фактора нестабильности Р.Т. ( U э и
βN ) всегда с ростом tс	ведут к	росту IK , в ПТ возможна
взаимная компенсация влияния U0 и		Iс.нас.0 на ток стока Iс , что

и проявляется в наличии у полевых транзисторов при U0 > 0,6 В

37

точки «нулевого	температурного дрейфа», соответствующей
U зи ≈U0 -0,6 В; в этой точке Iс =0 при изменениях tс		(рис. 4.6).
Вычислив по	приведённым выше формулам U0	и Iс.нас.0 ,

целесообразно построить наряду с номинальной стоко-затворной ВАХ рассматриваемого ПТ ещё и параболу «отклонённой» ВАХ, на которую можно нанести допустимое новое положение «сдвинутой» рабочей точки (допустимое изменение режимного тока стока составляет обычно 10–20 %). Такое построение облегчает расчёт цепей стабилизации режима в усилительных каскадах на ПТ.

Рис. 4.6. Точка «нулевого температурного дрейфа» на проходной ВАХ ПТ

Заметим, что обратный ток затвора Iз весьма мал (доли – единицы наноампер), но весьма быстро возрастает с ростом tс

(примерно вдвое на каждые 10O приращения температуры); поэтому этот ток, протекая по высокоомному сопротивлению в цепи затвора Rз , может оказать влияние на потенциал затвора, а

значит, и на напряжение U зи , которое будет приближаться к нулю

38

(а ток Iс будет увеличиваться). Чтобы ослабить такое влияние,

следует ограничивать значение внешнего сопротивления в цепи затвора Rз величинами порядка единиц мегаом.

Рассмотрим пример определения по справочным данным элементов схемы замещения ПТ типа КП303В. В справочнике [5] на с. 584-586 помимо параметров указанного транзистора даны также его вольт-амперные характеристики, которые ниже воспроизведены на рис. 4.7.

а

б

39

в

Рис. 4.7. Вольт-амперные характеристики ПТ типа КП303В

Далее приводятся справочные данные этого транзистора.

Общие сведения

Кремниевые планарно-эпитаксиальные с n-каналом и диффузионным затвором транзисторы предназначены для использования в радиовещательной, приемно-усилительной, телевизионной и другой аппаратуре. Корпус металлический, с гибкими выводами. Масса транзистора 0,5 г.

		Максимально допустимые параметры
Гарантируются при температуре окружающей среды
tс = - 40… + 85		о С.
IC max – постоянный ток стока, мА . . . . . . . . . . . . .			.	. 20
IЗ пр max	–	постоянный прямой ток затвора, мА . . . . .	.	. . 5
UЗИ max	–	постоянное напряжение затвор-исток, В . . .	.	. 30
UЗС max	–	постоянное напряжение затвор-сток, В . . . .	.	. 30
UСИ max		– постоянное напряжение сток-исток, В . . . .	.	. 25
P max –		рассеиваемая транзистором мощность, мВт
при tс		= +25 ˚C . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .	. . 200

при tс = +85 ˚C . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 100

Допустимая температура окружающей среды, ˚C ……. -40…+85 Мощность в интервале температур 25…85 ˚C

P max [мВт] = 200-1,66 (tс -25 ˚C ).

Электрические параметры транзистора приведены в табл. 4.1.

40