М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 7

Происходит это потому, что в режиме насыщения переход коллектор-база смещен в прямом направлении. Следовательно, мы имеем два р-н перехода, смещенных в прямом направлении, включенных навстречу друг другу так, что падения напряжения на них взаимно компенсируются. Эта способность биполярного транзистора иметь в режиме насыщения очень маленькое падение напряжения между коллектором и эмиттером, делает его весьма полезным переключающим прибором. Многие из наиболее важных применений электроники, включая обширную область цифровой электроники, используют переключающие схемы.

В режиме переключений транзистор работает либо с фактически нулевым током коллектора (транзистор выключен) или с фактически нулевым напряжением на коллекторе (транзистор включен). В обоих случаях мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала Значительная мощность рассеивается только в то время, когда происхолит переключение: в это время и напряжение коллектор-эмнттер и ток коллектора имеют конечные значения. Маломощный транзистор, такой как 2Х3053, с максимально допустимой рассеиваемой мощностью менее одного ватта, может переключать мощность в нагрузке в несколько ватт.

Следует обратить внимание на то, что максимальные значения коллекторного напряжения и тока не должны выходить за допустимые пределы; кроме того, желательно осуществлять переключения возможно быстрее, чтобы избежать рассеяния чрезмерно большой мощности. Полевой транзистор 2.1 Введение В предыдущей главе подчеркивалось, что одно из главных свойств биполярного транзистора состоит в том, что он является усиливающим устройством, управляемым током. В случае полевого транзистора (Е|е!д-Ейест Тгапз!зтог, ЕЕТ) выходным током управляет входное налрялселие, тогда как входной ток обычно пренебрежимо мал (ои может быть меньше ! пА). Это большое достоинство, важное в тех случаях, когда сигнал приходит от таких устройств, как конденсаторный микрофон или пьезоэлектрический датчик, которые не в состоянии давать сколько-нибудь значительный ток. Полевые транзисторы бывают, по существу, двух типов: полевые транзисторы с управляющим р-л переходом (Пшсбоп ЕЕТ, ЗгЕТ) и полевые транзисторы с изолированным затвором (!пзц1атед Оате ЕЕТ, !ОРЕТ).

Транзисторы последнего типа больше известны как МОП-транзисторы, при этом название указывает иа их коиструкцию: металл-окисел-полупроводиик (Мега!- Охоте-Яеш!сопг(вссог ГЕТ, МОзгЕТ). 2.2 Полевой транзистор с р-п переходом 2 2 1 Колструкиия На рис. 2.1 схематически изображен л-канальный полевой транзистор с р-л переходом и приведено его условное обозначение. К обоим концам крошечного бруска из кремния л-типа прикреплены выводы, образующие омические (невыпрямляюшие) контакты. Область кремния р-типа, помещаемая иа боковой поверхности бруска, образует р-л переход, Контакт иа нижнем конце бруска называется истоком, а контакт на верхнем конце бруска — стоком.

Как это следует из названий, электроны движутся от истока к стоку, и управляет этим током напряжение, которое подается иа р-область, называемую затвором. В альтернативной конструкции с каналом р-типа затвор выполнен из материала л-типа. На рис. 2.1(с) указано обозначение такого транзистора иа схемах. Полевой транзистор с р-л переходом 37 лв га) т Рнс.

23 Полевой трзнзнстор с р-л переходом. (а ) схематическое изображение конструкции транзистора с каналом л- типа; (Ь,с) обозначение транзисторов с каналом л-типа н с каналом р-тнпа соответственно 22 2 Принцип действия Ток, текущий через транзистор с р-и переходом, зависит от размера обедненного слоя на смещенном в обратном направлении переходе затвор-канал.

На рис. 2.2 показана схема для тестирования л-канального полевого транзистора с р-и переходом, на которой изображен также обедненный слой. Затвор легирован в значительно большей степени, чем брусок п-типа, так что обедненный слой почти полностью располагается в бруске. На затвор подается отрицательное напряжение смешения относительно истока (Р ), заставляющее обедненный слой принять ту особую форму, которая показана на рисунке: слой шире вверху и уже внизу, так как сток поддерживается более положительным, чем исток. Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, поскольку сам обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор.

Следовательно, при фиксированном напряжении сток-исток, ток стока зависит от входного напряжения Р .. На практике обычно области р-типа располагаются по обе стороны бруска п-типа, так что проводящий канал оказывается между двумя обедненными слоями. В отличие от биполярного транзистора ток, текущий по полевому транзистору с р-л переходом, образуется только основными носителями. Поэтому такой транзистор иногда 38 Полевой транзистор называют униполярным, и он в меньшей степени, чем биполярный транзистор, подвержен влиянию температуры и радиации, поскольку этими факторами определяется концентрация неосновных носителей. Рис.

2.2. Схема для тестирования и-канального полевого транзистора с р-п переходом В схематически изображенном транзисторе показан поток электронов, движушихся по каналу. У р-канальных полевых транзисторов с р-п переходом, которые менее распространены, чем и-канальные, основными носителями в канале являются дырки. У таких транзисторов на сток подают отрицательное напряжение относительно истока, а на затвор — положительное напряжение относительно истока, смешаюшее р-и переход в обратном направлении. 2.3 МОП-транзистор На рис. 2.3(а) показана принципиальная конструкция и-канального МОП- транзистора. Стоком и истоком являются области п-типа, сформированные в кремниевом бруске р-типа, который называют подложкой. Затвор представляет собой металлический электрод, изолированный от кремниевого бруска слоем оксида кремния.

Как показано на рисунке, МОП-транзистор включен в простую цепь, в которой на сток подано положительное напряжение относительно истока. В ззт ОП-тиранзисгиор 39 гш Рис. 2.3. л-канальный МОП-транзистор: (а) случай нулевого смешения на затворс, (сз в результате подачи положительного напряжения на затвор в подложке индупируется канал л-типа. 40 Полевой транзистор этих условиях ток через источник питания не течет, поскольку р-и переход на стыке сток-подложка смещен в обратном направлении.

Даже если бы сток и исток поменялись местами, ток все равно не протекал бы, так как р-и переход на истоке был бы смещен в обратном направлении. Рассмотрим теперь схему на рис. 2.3(Ь), где на затвор подано положительное напряжение относительно истока. Поле положительного затвора отталкивает дырки в полложке р-типа, в результате чего вблизи поверхности с изолирующим покрытием остается узкий канал л-типа. Этот узкий канал и обеспечивает проводимость между истоком и стоком. Таким образом, при наличии некоторого положительного напряжения на затворе, поддерживающего транзистор в проводящем состоянии, величиной тока стока можно управлять, изменяя напряжение на затворе. Итак, по принципу действия МОП-транзистор похож на полевой транзистор с р-и переходом за исключением того, что последний проводит при нулевом напряжении на затворе и канач запирается только при подаче на затвор определенного отрицательного напряжения.

Чтобы подчеркнуть различие между полевыми транзисторами этих двух типов, говорят, что описываемый сейчас МОП-транзистор работает в режиме обогащения, а транзистор с р-и переходом — в режиме обеднения. Можно построить и-канальный МОП-транзистор, способный работать в режиме обеднения, обеспечив наличие встроенного канала и-типа между истоком и стоком даже при отсутствии смешения на затворе.

Такой встроенный канал можно создать, вводя посредством диффузии примеси в подложку р-тнпа, однако обычно в этом нет необходимости: в изолирующем слое из оксида кремния имеются ловушки с захваченными положительными ионами, которые индуцируют канал и-типа в подложке. В случае МОП-транзистора со встроенным каналом (с обеднением) можно использовать как отрицательные, так и положительные напряжения на затворе, поскольку затвор не образует р-и перехода, который нужно поддерживать смещенным в обратном направлении Подача положительного напряжения на затвор будет приводить к увеличению тока стока за счет расширения индуцируемого канала.

Поэтому МОП-транзистор со встроенным каналом (с обеднением) является гибким электронным прибором, который может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Бывают также МОП-транзисторы с каналом р-типа. Подложка у них — и- типа, и, как правило, они являются транзисторами, работающими в режиме обогащения (с индуцируемым каналом).

Им на сток обычно подают отрицательное напряжение относительно истока, и ток стока равен нулю, пока отрицательное относительно стока напряжение не приложено также к затвору. На рис. 2.4 приведены обозначения МОП-транзисторов. На рис. 2.4(а) показан и-канальный транзистор со встроенным каналом (с обеднением). Вывод полложки (часто обозначаемый буквой «Ь» от слова ЬиПг — масса) снабжен стрелкой, указывающей тип проводимости канала. Обычно подложку соединяют с истоком, причем иногда это делается внутри транзистора.