Физические основы микроэлектроники; Электроника

Лекция 9, тезисы

Параметры транзисторов

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

Электрические параметры:

1. Граничная частота, f_ГР;

2. Коэффициент передачи тока, K_I;

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

4. Емкости переходов, С_i-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. U_{обр макс};

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, P_{к макс};

3. Максимально допустимая температура корпуса, t^o_{макс корп};

4. Диапазон рабочих температур, t^o_мин, t^o_макс.

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.

режим	полярность
активный	+	-	+	-
отсечки	-	+	+	-
насыщения	+	-	-	+
инверсный	-	+	-	+

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 Е_к и Е_э будет противоположной случаю p-n-р; направления токов из­менится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дыроч­ной, а электронной проводимостью.

1. Усилительные свойства транзистора

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 Е_Э и переменное напряжение подлежащее усилению U_вх, причем

U_вх<< Е_Э (9.1)

Соотношение источников питания Е_К и смещения Е_Э:

Е_Э < Е_К. (9.2)

В коллекторную цепь транзистора включа­ется сопротивление нагрузки R_H.

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 (R_H - единицы и десятки килоом).

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

P_вых~=1/2I_к²R_н (9.3)

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

R_н >> R_вх, (9.4)

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

P_вх~=1/2I_э²R_вх (9.5)

оказывается несравненно меньше, чем выделяе­мая в цепи нагрузки.

P_вых/ P_вх ~ R_н / R_вх (9.6а)

Из (9.6) и (9.4) видно, что

P_вых>> P_вх (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

К_I =I_вых/I_вх= I_к/I_э (9.7)

Для приведенной схемы K_I < 1 (типовые значения К_I= 0,9 - 0,95), т.е. ток I_К в 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 I_к/I_э обозначается  (в системе h параметров, см. п.3 “Для самостоятельного изучения“, для схемы с ОБ обозначается h_21б).

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

2. Коэффициент усиления по напряжению - отношение изменения выходного U_вых переменного напряжения к входному U_вx,:

K_U=U_вых /U_вx (9.8)

U_вых=I_K^{. .} R_н (9.9)

U_вх =I_вх r_эб, (9.10)

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

K_U =I_K R_н/I_Э^. r_эб =^. R_н/ rэб (9.11а)

т.к I_э ~I_{к ,} т.е. ~1 то

К_u ~ R_н/rэб (9.11б)

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

К_Р~ = P_вых/ P_вх=0.5I_K² R_н/ 0.5I_Э^2.rэб=^.2 R_н/^.rэб = R_н/^.rэб (9.12)

причем

К_Р= K_U К_I (9.13)

Для данной схемы (ОБ) К_Р численно равен K_U (К_I <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 действия перпендикулярного току 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 затвором была 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 полупроводника n-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 (U_си), 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 U_3И создает 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 U_ИС между стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупро­водника потечет ток.

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе (U_3И’, U_3И” 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 I_С.

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

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 дрейф основных 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 I_C обращается в нуль, а в це­пи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) I_СО.

Он состоит из обратного тока p-n перехода I₀ и тока утечки I_у, протекающего по поверх­ности кристалла. Т.к. I_у « I₀, то I_со ~ I₀ .

!!! Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, 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

В рабочем режиме по каналу протекает ток I_С, 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. 9.5 Модуляция ширины p- канала

Потенциал U_Cх, распре­деленный вдоль канала, меняется от 0 (у земляного вывода) у истока до U_C у стока.

Оба напряжения U_ЗИ (положительное) и U_Cх(отрицательное) являются запирающими для p-n перехода.

Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе U_pn = U_3И, и наименьшим возле стока, где U_{pn =} U_ЗИ - Uc.

Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение I_С, 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 U_СИ + U_3И > U_{pn допуст} , в сто­ковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и I_С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:

Рис. 9.6 Условные 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