Биполярные транзисторы

Лекция 4. Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполярным тран­зистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействую­щих между собой jD-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной — сплавление, диффузия, эпитаксия, — что в значитель­ной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают и-р-п-транзисторы и /?-и-р-транзисторы. Упро­щенное устройство плоскостного «-р-п-транзистора приведено на рис. 4.1 а, его условное обозначение — на рис. 4.1 б, а схема замещения — на рис. 4.1 в. Анало­гичные представления для ^-и-р-транзистора приведены на рис. 4.1 г, д, е.

Средняя часть рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область — коллектором, а другая — эмиттером. В несимметричных структурах

Рис 4 1 Устройство n-^-n-транзистора (а), его схематическое изображение (б) и схема замещения (в) Устройство />-/г-/>-транзистора (г), его схематическое изображение (д) и схема замещения (е)

электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот­ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос­ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа­ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря­мом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба пере­хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки — в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле­нии, а эмиттерный — в обратном Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо­сти от приложенных к его переходам напряжений В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению E^Us,, через него протекает ток базы ц Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^Bi », где В — коэффициент передачи тока базы. Прямое на­пряжение Us, на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса — Молла

где /хб о — обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении, (рт-— тепловой потенциал.

Рекомендуемые материалы

Из уравнения (4.1) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и выполнении условия U^x^r, ток коллектора растет с ростом напряжения U^ по экспоненциальному закону:

где С/бэ<Ук — контактная разность потенциалов.

При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторно­го перехода /кобр^кбо- Из уравнения (4.1) легко найти напряжение на эмиттерном переходе

Поскольку (рг^ЭмВ при Г=ЗООК, то уже при напряжении [/бэ=100мВ можно считать, что С/бэ=<рг1п(^Лкбо). Выходные вольт-амперные характеристики транзи­стора приведены на рис. 4.2 а. Линейная область на этих характеристиках отмече­на штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной об­ласти. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллек­торе (в соответствии с уравнением (4.1) такой зависимости вообще нет). В-треть­их, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит

Рис. 4.2. Выходные характеристики биполярного транзистора (а) и его входная характеристика (б) оттока базь1. Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп­равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре­зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи­стора, приведенную на рис. 4.3 а.

Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления кас­када, изображенного на рис. 4.3 6. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой схемы находим

откуда

"U                                                                       "

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составле­нии схемы, изображенной на рис. 4.3 а. Уточненная схема замещения биполярного транзистора приведена на рис. 4.4. Этой схеме замещения соответствуют уравне­ния, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), мож­но легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе

Рис. 4.3. Простейшая схема замещения биполярного транзистора (а), схема усилительного каскада (б) и расчетная схема (в)

Рис 4 4 Схема замещения биполярного транзистора в Я-параметрах

схемы и короткого замыкания на ее выходе. При холостом ходе на входе г'б=0, откуда находим два параметра

Аналогично при коротком замы­кании на выходе (Ккэ=0) находим два других параметра

Параметры холостого хода в соответствии с (4.5) обозначаются как: Н^ — обратная передача по направлению и Нц — выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (4.6) и имеют значения: Яц — входное сопротивление, Н^ — прямая передача по току. Полученная система параметров транзистора не противоречит простейшей схеме замещения, приведенной на рис. 4.3 а Так, при Яц =Н^=Н^=0 получаем вместо схемы рис. 4.4 схему рис. 4.3 а, если положить, что В=Н^.

Отметим, что в справочниках по транзисторам обычно приводятся не все четыре Я-параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится пара­метр Нц =В — коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводят­ся, иногда можно рассчитать по уравнениям (4.5) и (4.6)

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличи­вать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме рис. 4.3 б, когда в коллекторной цепи включе­но сопротивление нагрузки ./?„. В этом случае увеличение тока базы 4 приведет к увеличению тока коллектора ;к- В результате увеличится падение напряжения на нагрузке 7?„ и уменьшится напряжение на коллекторе и^у Условием насыщения транзистра является равенство нулю напряжения

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие м„б>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия и^=0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характе­ризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы Ьшс транзистора в насыщенном режиме к току базы /grp в граничном режиме

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе­ство неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером до­статочно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым клю­чом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 4.5 а. В соответствии с этой схемой замеще­ния напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

где R^c. сопротивление насыщенного ключа, £„=0,5. 0,1 В. В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение t/кэ нас ^гп)и заданном токе коллектора.

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсеч­ки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия uq,,=o. В режиме отсечки транзистор можно заменить разом­кнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис. 4.5 б В соответ­ствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление 7?о ^и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки /ут^кбо На вольт-амперных характеристиках транзисто­ра, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли­ния при г'8=0.

В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводит­ся обратный ток коллектор — эмиттер /„я при заданном напряжении на коллек­торе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора — режимы насыщения и от­сечки — позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S. Остальные элементы на схемах замещения, приведенных на рис. 4.5, соот­ветствуют неидеальности транзисторного ключа.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон­ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поперемен­но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

Последним режимом работы транзистора является инверсный режим, при котором коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный

Рис 4 5 Схемы замещения транзисторного ключа в режиме насыщения (а) и отсечки (б) в обратном. По сути дела, в этом режиме коллектор и эмиттер меняются местами и роль коллектора теперь выполняет эмиттер. Если транзистор несимметричный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора (йинв^лин)

Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунаправлен­ных ключах. В этом случае транзистор делается симметричным и его усиление практически не изменяется при замене коллектора и эмиттера. В таких транзисто­рах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны харак­теристикам в линейном режиме.

Динамические характеристики биполярного транзистора. Динамические харак­теристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время пере­ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усили­тельного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 4.6 При включении транзистора (рис. 4.6 а) в его базу подается прямоуголь­ный импульс тока с крутым фронтоном Ток коллектора достигает установивше­гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задер­жки ?зад> спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени /дар достигает установившегося значения /к „кл> таким образом

где 1акл — время включения транзистора.

Рис 4 б Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, i результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным /g „ых Покг происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняе1 своего значения. Это время называется временем рассасывания ?рас. После оконча­ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается i течение времени ten- Таким образом, время выключения транзистора равно

Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на из­менение направления тока базы, транзистор в течение времени ?p„c остается вклю­ченным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают об­ратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе Однако прикла­дывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5 7В

Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзи­стора называется пассивным При пассивном запирании время рассасывания зна­чительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается Форма тока коллек­тора при подаче в базу прямоугольного импульса тока показана на рис 4 7 Из этого рисунка видно, что форма импульса тока коллектора не только изменяется за счет растягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время t^c- В справочных данных обычно приводят времена вклю­

чения, спада и рассасывания Для наибо­лее быстрых транзисторов время рассасы­вания имеет значение 0,1. 0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов оно до­стигает 10 мкс

Динамические свойства транзистора в усилительном режиме принято характери­зовать не временем включения или вы­ключения, а его частотными характерис­тиками. Имеется много различных моде­лей транзисторов, работающих на высоких частотах, однако наиболее распростра­ненными являются модели, основанные на схеме замещения Джиаколетто и аппрок­симации зависимости коэффициента пере­дачи тока базы (или эмиттера) на высо­кой частоте.

Гис 4 / Изменение формы импульса при работе транзисторного ключа

Рассмотрим вначале схему замещения транзистора, предложенную Джиако-летто. Эта схема приведена на рис 4 8 я и представляет собой П-образную схему, в которой усилительные свойства транзистора учтены крутизной S его вольт-амперной характеристики (т е. проводимостью прямой передачи), а частотная зависимость усилительных свойств определяется учетом емкостей между базой и коллектором — Сц и базой и эмиттером — Су Достоинство этой схемы замещения заключается в том, что она с достаточной для практических расчетов точностью отражает реальное свойство транзисторов на высоких частотах Кроме того, все параметры элементов этой схемы замещения можно легко измерить или рассчи­тать

На схеме замещения (рис. 4.8 а) точки Б, К и Э являются реальными вывода­ми базы, коллектора и эмиттера транзистора. Точка Б' находится внутри транзи­стора и, следовательно, доступа к ней нет Сопротивление т-а, разделяющее точки Б и Б', называют распределенным сопротивлением базы Активная проводимость g, и емкость С, совместно отражают полную проводимость эмиттерного перехода Отношение этих величин называется постоянной времени эмиттерного перехода Тэ=Сэ/§э и от режима работы транзистора практически не зависит.

Влияние коллекторного перехода учтено его полной проводимостью, состоя­щей из g„ и Ск Отношение этих параметров называется постоянной времени кол­лекторного перехода Тк=Ск/^к и также почти не зависит от режима работы тран­зистора Проводимость g^ обычно очень мала, а емкость С„ несколько уменьшает­ся с увеличением напряжения на коллекторе

Наличие связи между эмиттером и коллектором учтено в схеме замещения активной проводимостью g,^. Для высокочастотных транзисторов эта проводи­мость настолько мала, что ее можно не учитывать. Источник тока Sv^y, включен­ный между коллектором и эмиттером, аналогичен источнику тока H^ie, приведен­ному в схеме замещения рис. 4.4, однако в отличие от последнего он управляется не током базы ц, а напряжением щ,

Эта схема объясняет причины, приводящие к уменьшению усиления транзис­тора с повышением частоты Во-первых, с ростом частоты уменьшается полная

Рис 4 8 Схема замещения транзистора на высокой частоте (а) и частотная зависимость коэффициента передачи тока базы (б)

проводимость эмиттерного перехода, что приводит к увеличению тока ig и увели­чению падения напряжения на Гц Таким образом, управляющее напряжение щ, для источника тока уменьшается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается усиление транзистора

Дополнительное снижение усиления обусловлено влиянием коллекторной проводимости, которая тоже уменьшается с ростом частоты В результате ток базы еще больше увеличивается, что приводит к дополнительному снижению на­пряжения Mg,

Другим способом учета влияния частоты на усилительные свойства транзис­тора является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы В используется частотно-зависимый коэффициент

где ро=Д — коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, <»р — предель­ная частота коэффициента передачи тока базы

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы определя­ется по формуле

На частоте со=Юр модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с ро в /2= 1,41 раза Если со>3(Вр, то частотная зависимость коэффициента переда­чи тока базы принимает вид

где (07-=Ро<Вр граничная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент передачи тока снижается до единицы

Рассмотренная частотная зависимость коэффициента передачи тока базы приведена на рис 486. Следует учесть, что помимо падения усиления с ростом частоты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным, определяемый формулой

Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спект­ром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоникЛекция 5. Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, ил) полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которы:

регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канал;

с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока Оба на звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управле ние током канала осуществляется при помощи электрического поля

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоков (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate) Напряжен» управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором i истоком В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делят ся на две группы с управляющим ^-и-переходом и с изолированным затвором

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приве дено на рис 5.1 а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) — на рис. 516.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изоли рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокис! кремния SiOz. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвор. и имеют контакт с полупроводниковым каналом Ток утечки затвора пренебрежи мо мал даже при повышенных температурах Полупроводниковый канал може" быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими При обеденном канале элек трическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называете) индуцированньш. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называете? встроенным Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднении канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной Если кана;

имеет электронную проводимость, то он называется и-каналом Каналы с дыроч' ной проводимостью называются ^-каналами В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов с каналом и- или ^-типов,

Рис 5 1 Устройство униполярного транзистора с изолированным затвором (а) и с управляющим р-п-переходом (б)

каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал Услов­ные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис. 5.2. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный Исток и сток действуют как невыпрямляющие контак­ты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости ка­нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К — кремний, А — арсенид галлия) Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначньш номер раз­работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На­пример, транзистор КП302А — кремниевый, полевой, малой мощности, высоко­частотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим />-я-переходом приведено на рис 5.1 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулиро-< вать ток в канале На рис. 5.1 б приведен полевой транзистор с каналом /?-типа и ' затвором, выполненным из областей л-типа. Увеличение обратного напряжения

на затворе приводит к снижению проводи­мости канала, поэтому полевые транзис­торы с управляющим ^-«-переходом рабо­тают только на обеднение канала носите­лями зарядов.

сплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. На­правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имею­щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рис. 5.4. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, на­правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускают­ся только ПТИЗ со встроенным каналом ^-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом п-типа расположены в верхней половине графи­ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно­му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом /»-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица­тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /<:нач- При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про­исходит при напряжении на затворе больше порогового значения t/пор. Увеличе­ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рис. 5.5 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом л-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря­жений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области:

линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере­гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряже­ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто­ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пен- тодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых j транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро­тивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения — как

Рис. 5.5. Выходные харакетристики полевого транзистора с управляющим />-я-переходом и каналом я-типа

усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора опре­деляется уравнением

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, t/„ — пороговое напряжение (или напряжение отсечки), Мзи — напряжение между затво­ром и истоком, Мси — напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, пола­гая в (5.1) Мси^О:

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об-         |

ласта     |

         !

Из выражения (5.3) следует, что при u^=Q сопротивление канала будет мини­мальным 7?n„n=l/(2A:t/„). Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна­чению u^—'-Uy, то сопротивление канала возрастает до бесконечности: 7?с—'-⁰⁰. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке С/с„ нарушает | линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5... 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается, усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область В линейной области ток стока полевого транзистора опре­деляется уравнением

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, t7„ — пороговое напряжение (или напряжение отсечки), Мзи — напряжение между затво­ром и истоком, Мси — напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, пола­гая в (5.1) Мси^О:

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об- | ласти                                                                      |

Из выражения (5.3) следует, что при Мзи=0 сопротивление канала будет мини­мальным /?mm= H(2kU„). Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна­чению u^-*Uy, то сопротивление канала возрастает до бесконечности. Re-*⁰⁰. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке Uy, нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5... 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается,

что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводи­мостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать доста­точно большой ток (до 10 А и выше) Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения ключа на полевом транзисторе приведена на рис. 5.6 б.

Область насыщения В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практи­чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.5) можно найти начальный ток стока при условии, что Мэи=0: t/3„=t/„ становится равной нулю. Используя максимальное значение крутизны ^тах=2&{/п, уравнение (5.8) можно записать в виде

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе U,». При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 а. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

¥w 5.7. Простейшая схема замещения полевого транзистора (а), схема усилителя на полевом транзисторе (б), эквивалентная схема (в) и схема замещения в у-параметрах (г)

Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента k, введенного в фор­муле (5.1), можно установить экспериментально, измерив начальный ток стока <снач и пороговое напряжение [/„ (или напряжение отсечки {/ото), так как

Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основ­ном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амперной характеристики.

Из уравнения (5.8) следует, что максимальное значение крутизна имеет при Мз„=0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и прt/3„=t/„ становится равной нулю. Используя максимальное значение крутизны ^тах=2&{/п, уравнение (5.8) можно записать в виде

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе U,». При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 а. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

откуда

¥w 5.7. Простейшая схема замещения полевого транзистора (а), схема усилителя на полевом транзисторе (б), эквивалентная схема (в) и схема замещения в у-параметрах (г)

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель полевого транзис­тора усложняют введением других параметров, которые учитывают неидеаль­ность транзистора. Уточненная схема замещения полевого транзистора для малых сигналов приведена на рис. 5.7 г. Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называют уравнениями транзистора в ^-параметрах (параметрах прово­димости):

Физический смысл параметров, используемых в уравнениях (5 11), можно ус­тановить, если воспользоваться режимами короткого замыкания на входе и выхо­де схемы замещения. При коротком замыкании на выходе (С/с=0) находим два параметра

Аналогично при коротком замыкании на входе (С/з=0) находим два других параметра

Из уравнений (5.12) и (5.13) следует, что у\ является проводимостью утечки затвора полевого транзистора, а угг — его выходной проводимостью, уг называ­ется проводимостью обратной передачи и учитывает влияние напряжения на сто­ке на ток затвора, a y^'=S — это крутизна полевого транзистора (или проводи­мость прямой передачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если поло­жить Уп=Уи=У22=0-

Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S, вместо входной проводимости иногда приводятся ток утеч­ки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной передачи в боль­шинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работаю­щих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характе­ристики полевых транзисторов по-разному описывают их поведение в ключевом и линейном (усилительном) режимах работы. В усилительном режиме транзистор обычно работает при малом уровне сигнала и, соответственно, рассматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависи­мости токов и напряжений. В ключевом режиме более существенными являются времена включения и выключения транзистора, максимальная частота его комму­тации и искажения фронтов импульсов.

Полная схема замещения полевого транзистора в усилительном режиме при малом уровне сигнала приведена на рис. 5.8 а. В этой схеме учтены проводимости gyc, ?зи и емкости Сзс, Сзи — с затвора на области стока и истока, — управляемый источник

Рис. 5.8. Схема замещения полевого транзистора при малом сигнале на высокой частоте (а), схема включения ПТИЗ с индуцированным каналом на резистивную нагрузку (б) и графики прохождения прямоугольного импульса через транзисторный ключ (в)

тока стока SU^, выходная проводимость gem ^{a также объемные сопротивления /•с и г,, участков канала, примыкающих к электродам стока и истока. Если пре­небречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще­ния будут иметь значения}

Из выражения (5.14) следует, что с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/у,х полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор /уг- В результате возрастает емкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте. Следует, однако, отметить, что многие из параметров схемы замещения, при­веденной на рис. 5 8 а, зависят от режима работы транзистора, т е от постоянные напряжений на его электродах Так, например, крутизна S зависит от напряжение на затворе U,u (см формулу 5 9) Для транзисторов с/»-и-переходом емкости затво­ра Сэи и Сзи являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при­мере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуциро­ванным каналом и-типа, пользуясь схемой, изображенной на рис 586. Для переключения транзистора на его затвор подается прямоугольный импульс напряжения С/вх, изображенный на рис 5 8 в. При рассмотрении переходных процессов использована упрощенная модель транзистора, приведенная на рис 5 8 а

Лекция "Азиатско-тихоокеанское экономическое сотрудничество (АТЭС)" также может быть Вам полезна.

При подаче прямоугольного импульса от источника U^ вначале проис­ходит заряд емкости Сз„ через сопротивление источника сигнала /?„• До теа пор, пока напряжение на емкости Сэи не достигнет порогового напряжения [/пор:

ток стока равен нулю и напряжение на стоке равно напряжению источника пита­ния Е^

Когда емкость Сзи зарядится до U„„p, транзистор некоторое время будет нахо­диться в области насыщения, а его коэффициент усиления, как показано раньше, будет иметь значение Ky^SRy В этом случае входная емкость транзистора резке увеличится и будет равна

Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьшается обратно пропорционально увеличению емкости С^ По мере увеличения на­пряжения на Сзд будет постепенно нарастать ток стока и уменьшаться напря­жение на стоке Таким образом, процесс заряда емкости Cgx будет продол­жаться до тех пор, пока напряжение на стоке не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в линейной области и потеряет усилительные свой­ства При этом входная емкость станет равной Сзи и скорость ее заряда резко увеличится В результате в конце процесса включения транзистора на затворе будет напряжение Uy

Следует отметить, что в резучьтате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно поступления импульса управления на вре-^мя ^эвдвюи а его фронт растягивается на время /„„, Аналогичный процесс происхо­дит при выключении транзистора имеется время задержки выключения ^задвык. время выключения Гцых; в течение которого спадает импульс тока стока, и время ty, установления исходного