Биполярные и полевые транзисторы

Тема: Биполярные и полевые транзисторы.

Вопрос 1. Устройство и физические процессы в биполярном транзисторе.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя n-p-переходами, образованными слоями полупроводникового материала n-p-n или p-n-p-типа. Он имеет три или более выводов, изготавливается на основе германия или кремния, обеспечивает усиление мощности электрических сигналов. На рис.2.1 приведены структурные схемы, условные графические и буквенные обозначения транзисторов n-p-n-типа (рис.2.1,а) и p-n-p-типа (рис.2.1,б).

Средний слой кристалла называют базой. Ее толщина мала, составляет несколько микрометров и концентрация примесей здесь значительно меньше, чем в соседних слоях. Крайние слои называют эмиттером (Э)  и  коллектором (К).

Для нормальной работы транзистора между его выводами должны быть включены источники питания. Если источники включены так, что оба перехода П1, П2 находятся под обратным напряжением, то токи транзистора практически равны нулю - этот режим называют отсечкой. Если переходы транзистора имеют прямое смещение, то их сопротивление мало, и транзистор можно рассматривать как узел цепи. Такой режим работы называют насыщением. В усилительном каскаде транзистор работает в активном режиме, при этом эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном (рис.2.1). Прямосмещенный эмиттерный переход имеет небольшое сопротивление - несколько Ом. Коллекторный переход, при отсутствии инжекции из эмиттера, имеет очень большое сопротивление - несколько МОм, поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, практически не изменяя тока коллектора.

Под действием источника Е_э основные носители заряда из эмиттера преодолевают n-p-переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с основными носителями заряда базы, образуя ток базы I_б. Так как концентрация дырок (для n-p-n-типа) и электронов (для p-n-p-типа) в базе мала, то не все инжектированные из эмиттера заряды рекомбинируют. Большинство зарядов, вследствие диффузии и поля источника Е_к, преодолевает коллекторный переход и образуют ток коллектора.

Коэффициент передачи тока эмиттера

a=DI_к /DI_э при U_кб=const.

В современных транзисторах база очень тонкая и a=0,99 и больше.

Рекомендуемые материалы

Когда I_э=0, то будет небольшой ток через коллекторный переход I_ко, обусловленный движением неосновных носителей заряда.

Вопрос 2. Схемы включения, характеристики и параметры биполярного транзистора..

Рассмотренная на рис.2.1 схема включения транзистора называется схемой с общей базой (ОБ), так как база является общим электродом для входной и выходной цепей. Она обеспечивает усиление сигнала по напряжению и мощности, но ток в нагрузке будет меньше, чем входной ток источника сигнала.

Наиболее часто используется в электронных устройствах схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) - рис.2.2,а. Входным здесь является ток базы I_б, а выходным - ток коллектора I_к.

Коэффициент передачи тока базы схемы ОЭ

b=DI_к/DI_б при U_кэ=const; b=a/(1-a)>>1.

Эта схема обеспечивает усиление тока и напряжения сигнала и максимальное усиление мощности.

Основными характеристиками транзисторов ОЭ являются

1) выходные - I_к(U_кэ) при I_б=const (рис.2.2,б),

2) входные - I_б(U_бэ) при U_кэ=const (рис.2.2,в).

Они определяют связь между постоянными составляющими токов и напряжений, дают возможность выбрать наилучший режим работы, оценить нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Для расчета цепей с биполярными транзисторами в настоящее время используются h-параметры: транзистор представляют четырехполюсником и записывают уравнения четырехполюсника в h-параметрах. Коэффициенты четырехполюсника (h-параметры) выражаются следующим образом:

h₁₁=DU_бэ/DI_б при U_кэ=const - входное сопротивление R_вх, Ом;

h₁₂=DU_бэ/DU_кэ при I_б=const - безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению;

h₂₁=DI_к/DI_б при U_кэ=const - безразмерный коэффициент передачи тока (b);

h₂₂=DI_к/DU_кэ при I_б=const - выходная проводимость (1/R_вых), См.

h-параметры приводятся в справочниках, а также могут быть определены по семейству входных и выходных характеристик транзистора.

Вопрос 2. Устройство и физические процессы в полевых транзисторах.

Биполярные транзисторы управляются током и потребляют заметную мощность от входной цепи. Указанного недостатка лишены  полевые транзисторы (ПТ) - это полупроводниковые приборы с каналом, ток в котором управляется электрическим полем. Принцип действия их основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок), поэтому их иначе называют  униполярными.

Главным достоинством ПТ является высокое входное сопротивление, т.е. они практически не потребляют ток из входной цепи. Кроме того, они более технологичны и дешевле, чем биполярные, обладают хорошей воспроизводимостью требуемых параметров.

По способу создания канала различают ПТ с управляющим n-p-переходом, со встроенным каналом и с индуцированным каналом. Последние два типа относятся к разновидностям МДП-транзисторов с изолированным затвором.

У ПТ с управляющим n-p-переходом (рис.2.3,а) канал - это слой полупроводника n-типа (может быть p-типа), заключенный между двумя n-p-переходами. Канал имеет два вывода во внешнюю цепь: исток (И), из которого заряды выходят в канал, сток (С), в который заряды входят из канала. Слои p-типа соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором (З). Затвор служит для регулирования поперечного сечения канала. Особенность ПТ в том, что движение основных носителей заряда только одного знака происходит по каналу от истока к стоку, а не через переход, как в биполярном транзисторе.

Управляющее напряжение между З и И является обратным для обоих n-p-переходов (U_зи<0). Оно вызывает вдоль канала равномерный слой, обедненный носителями заряда при U_си=0. Изменяя U_зи, изменяют ширину n-p-переходов, тем самым регулируют сечение токопроводящего канала и его проводимость. Напряжение U_си>0 вызывает неравномерность обедненного зарядами слоя, наименьшее сечение канала вблизи стока.

Управляющее действие затвора иллюстрируют передаточной (стоко-затворной) характеристикой I_с(U_зи) при U_си=const. На практике чаще используют выходные (стоковые) характеристики I_с(U_си) при U_зи=const, по которым строят передаточные (рис.2.3,в).

МДП-транзисторы со встроенным каналом имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник. У поверхности кристалла полупроводника (подложки p-типа) созданы две области n-типа и тонкая перемычка между ними - канал (рис.2.4,а). Области n-типа имеют выводы: И-исток и С-сток. Кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика SiO₂, на которой расположен металлический затвор (З), электрически изолированный от цепи исток - сток. Подложка соединяется с истоком внутри прибора, либо имеет вывод во внешнюю цепь (П).

При отрицательном потенциале на затворе U_зи<0 поле затвора выталкивает электроны из канала в p-подложку, исток и сток. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается и ток стока уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Характеристики I_с(U_си) располагаются ниже кривой при U_зи=0 (рис.2.4,в). Если на затвор подано U_зи>0, то под действием поля затвора канал насыщается электронами из p-подложки, истока и стока - это режим обогащения.

Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения , что наглядно показывают его характеристики. Структура, условное графическое изображение, передаточная I_с(U_зи) при U_си=const и стоковые I_с(U_си) при U_зи=const характеристики ПТ со встроенным каналом даны на рис.2.4,а,б,в.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом не имеют специально созданного канала между истоком и стоком, и при U_зи=0 выходной ток I_с=0. Канал индуцируется при положительном потенциале на затворе U_зи>0 благодаря притоку электронов из p-подложки, истока и стока. Этот прибор работает только в режиме обогащения.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна S=DI_с/DU_зи при U_си=const и внутреннее (выходное) сопротивление R_i=DU_cи/DI_с при U_зи=const. Иногда пользуются третьим параметром - коэффициентом усиления m=DU_си/DU_зи при I_с=const; m=SR_i.

Контрольные вопросы

1. Как образуется n-p-переход и каковы его свойства?

2. Каково устройство биполярного транзистора и принцип его работы в схеме с общей базой и с общим эмиттером.

3. Как изображают на схемах транзисторы n-p-n и p-n-p-типов?

4. Какова полярность напряжений между электродами транзисторов n-p-n и p-n-p типов?

5. Какие функции выполняет эмиттер и коллектор?

6. Объясните характер входных и выходных характеристик биполярного транзистора.

7. Почему запрещается отключать вывод базы при наличии напряжения на эмиттере и коллекторе?

8. Что представляет собой обратный ток коллекторного перехода?

9. Объясните физический смысл h-параметров транзисторов и как они определяются по входным и выходным характеристикам?

В лекции "13 Процесс воспроизводства" также много полезной информации.

10. Почему коэффициент усиления по току b не остается постоянным при изменении тока эмиттера?

11. Каковы конструкции полевых транзисторов с n-p-переходом и с изолированным затвором?

12. Принцип действия полевых транзисторов, их основные характеристики и параметры.

13. Что такое напряжение отсечки полевого транзистора, как оно определяется?

14. Что такое ток насыщения транзистора и как он определяется?

15. Каковы преимущества полевых транзисторов перед биполярными?