В.В. Филинов, А. В. Филинова - Электроника и основы измерений, страница 5

Для анализа работы транзистора и для расчетов схем при больших сигналах часто используют вольт-амперную характеристику (ВАХ) транзистора. На рис. 1.13 показаны типовые ВАХ маломощного биполярного транзистора по схеме включения с ОЭ. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора I_Б=f₁(U_БЭ) называют входной или базовой характеристикой транзистора (рис. 1.13,а). Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы I_К=f₂(U_КЭ)|_Iб=const называют семейством выходных (коллекторных) ВАХ транзистора ( рис. 1.1.13,б). Входная характеристика практически не зависит от напряжения U_КЭ, а выходные приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения U_КЭ. Для аналитических расчетов устройств с биполярными транзисторами используют h-параметры транзисторов.

Параметры h могут быть легко определены по входной и выходным характеристикам транзистора с учетом приведенных выше зависимостей.

Параметр h₁₁ имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр h₁₂ – безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению. Его значения лежат в пределах 0,002 – 0,0002 и в большинстве случаев им можно пренебречь, т.е. полагать равным нулю. Параметр h₂₁ – коэффициент передачи тока, характеризующий усилительные (по току) свойства транзистора при постоянном напряжении на коллекторе. Параметр h₂₂ имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Характеристики транзистора сильно зависят от температуры. С повышением температуры резко возрастает начальный коллекторный ток I_К0 вследствие значительного увеличения количества неосновных носителей заряда в коллекторе и базе. В то же время несколько увеличивается и коэффициент h₂₁ из-за увеличения подвижности носителей заряда. h-параметры транзистора, особенно коэффициент передачи тока h₂₁, зависят от частоты переменного напряжения, при котором производят измерения приращений токов и напряжений ΔI_Б, Δ_IК, ΔU_БЭ, ΔU_КЭ, так как на высоких частотах начинает сказываться конечное время, за которое носители заряда (в транзисторе типа n-p-n это электроны) проходят расстояние от эмиттера до коллектора транзистора.

Частоту, на которой коэффициент передачи тока h₂₁ уменьшается до единицы, называют граничной частотой коэффициента передачи тока f_ГР. На практике часто используют частоту f₀, на которой параметр h₂₁ уменьшается в раза.

Для предотвращения перегрева коллекторного p-n-перехода необходимо, чтобы его мощность не превышала некоторого максимального значения:

P_К=I_К U_КЭ≤P_{К макс.}

Таким образом, ограничивающей кривой на коллекторных характеристиках является зависимость I_К=P_{К макс}/U_КЭ.

В целях увеличения допустимой мощности коллектора P_{К макс} в мощных транзисторах коллектор для улучшения теплоотвода соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам транзистор монтируют на специальном радиаторе.

Ограничение по допустимой мощности коллектора не является единственным. Если между коллектором и эмиттером приложено слишком высокое напряжение, то может произойти электрический пробой коллекторного p-n-перехода, поэтому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напряжение было меньше допустимого:

U_КЭ≤U_{КЭ макс}.

Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току

I_К≤I_{К макс},

которое обусловлено допустимым нагревом эмиттерного перехода.

Область, выделенная этими тремя ограничивающими линиями (рис. 1.14), является рабочей областью характеристик транзистора.

Из емкости p-n-переходов существенное значение имеет только емкость коллекторного перехода C_КБ.

Входное сопротивление биполярных транзисторов составляет (10÷100) Ом, выходное (1÷10) кОм.

Диапазоны значений остальных параметров отечественных биполярных транзисторов приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Значение параметров биполярных транзисторов.

1.1.6. Полевые транзисторы

Полевым транзистором называют полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрической мощности.

В полевых, или униполярных транзисторах в отличие от биполярных ток определяется движением только основных носителей заряда одного типа – электронов или дырок.

Носители заряда перемещаются по каналу от электрода, называемого истоком (И) к электроду, называемому стоком (С). С помощью третьего электрода – затвора (З) создается поперечное направлению движения носителей заряда управляющее электрическое поле, позволяющее регулировать электрическую проводимость канала, а следовательно, и ток в канале.

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводимости исходного материала подразделяют на транзисторы с p-каналом и n-каналом.

По типу управления током канала полевые транзисторы подразделяются на два вида: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. На рис. 1.15 приведены графические обозначения этих полевых транзисторов.

Структура и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом показаны на рис. 1.16.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала 1 шириной Δ от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_С. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее p-n-переход 2, образованный n-областью канала и p-областью затвора. Таким затвором, в полевом транзисторе с n-каналом полярности приложенных напряжений следующие: U_СИ>0, U_ЗИ≤0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: U_СИ<0, U_ЗИ≥0.

При изменении электрического потенциала на затворе меняется ширина p-n переходов 2, что приводит к изменению ширины Δ канала 1. Последнее меняет количество электронов (дырок), движущихся через сечение канала, и соответственно – ток стока I_С.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис. 1.17. Здесь зависимости тока стока I_С от напряжения U_СИ при постоянном напряжении на затворе U_ЗИ определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (см. рис. 1.17,а). На начальном участке характеристик, U_СИ+|U_ЗИ|<U_ЗАП ток I_С возрастает с увеличением U_СИ. При повышении напряжения сток-исток до U_СИ=U_ЗАП-|U_ЗИ| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I_С прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение U_ЗИ между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения U_СИ и тока I_С, при которых происходит перекрытие канала. Область насыщения справа от пунктирной линии является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения U_СИ приводит к пробою

p-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика I_С=f(U_ЗИ) (рис.1.17,б). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения U_СИ. Входная характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки затвора I_З от напряжения затвор – исток – обычно не используется, так как при U_ЗИ≤0 p-n-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (I_З=10^-8÷10^-9 А), поэтому во многих случаях им можно пренебречь.

В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы, в которых металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика. Такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник) или МОП-транзисторами (металл – оксид – полупроводник). В последнем случае под оксидом понимают оксид кремния, который является высококачественным диэлектриком. Их входное сопротивление достигает 10¹⁵ Ом, т.е. ток затвора на несколько порядков ниже тока полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

ВАХ полевых транзисторов с изолированным затвором в основном аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи

и дифференциальное (внутренние) сопротивление стока (канала) на участке насыщения