шпоры к семинару по транзисторам (555837), страница 2

1. Входные и выходные характеристики БП транзисторов при различных схемах включения. Определение параметров транзисторов по характеристикам.

1. Сток-затворные характеристики ПТ. Определение параметров ПТ по характеристикам.

1. Тиристоры. Назначение, устройство, принцип действия.

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях. В одном состоянии—закрытом, или выключенном, тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток, а в другом — открытом, или включенном, сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток. Тиристоры широко применяют в радиолокации, устройствах радиосвязи, автоматике как приборы с отрицательной проводимостью, управляемые ключи, пороговые элементы, преобразователи энергии, триггеры, не потребляющие ток в исходном состоянии. По сравнению с биполярными транзисторами тиристоры могут обеспечить большой коэффициент усиления по току включения, иметь большой ток и одновременно высокое напряжение, что важно для получения хороших характеристик мощных устройств. Тиристоры позволяют получить высокий КПД преобразования энергии, обладают хорошей надежностью и долговечностью, имеют малые габариты, просты в эксплуатации. В зависимости от числа выводов тиристоры делятся на диодные, триодные и тетрадные, имеющие соответственно два, три и четыре вывода от р-n-p-n-структуры. Контакт к внешнему р-слою называется анодом (А), а к внешнему n-слою — катодом (К). (Часто анодная р-область и катодная n-область называются соответственно р- и n-эмиттерами.) Области n- и p-типа, расположенные между анодом и катодом, называются базами, а выводы от них образуют управляющие электроды. Наиболее часто используются трехэлектродные приборы. Помимо четырехслойных структур некоторые виды тиристоров имеют большее число полупроводниковых областей. К таким приборам относится симистор (симметричный тиристор), который может включаться при различных полярностях приложенного напряжения. Симистор имеет структуру из пяти и более слоев и используется в цепях переменного тока как двусторонний ключ. Рассмотрим основные физические процессы на примере диодного тиристора, характеристика которого приведена на рисунке. В режиме обратного запирания (0-4) переходы П1 и ПЗ включены в обратном направлении, а переход П2 — в прямом. Ток на участке (0-4) ВАХ определяется сопротивлениями обратно включенных переходов П1 и ПЗ. Допустимое падение напряжения на тиристоре в рассматриваемом случае ограничивается ударной ионизацией в переходе П1. В режиме прямого запирания (0-1) напряжение на аноде положительно по отношению к катоду, переходы П1 и ПЗ включены в прямом направлении, а переход П2 — в обратном. Падение напряжения между анодом и катодом тиристора равно сумме падений напряжения на переходах U_A = U₁ + U₂ + U₃. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе П2, и только незначительная часть — на переходах П1 и ПЗ. Переход П2 является коллектором для дырок и электронов,

1. Высокочастотные свойства БП транзисторов.

Пусть на входе транзистора, работающего в активном режиме, действует малый переменный сигнал с частотой f. На высоких частотах реактивные сопротивления конденсаторов малосигнальных моделей могут оказаться меньше дифференциальных сопротивлений эмиттерного и коллекторного переходов, сопротивлений базы и коллектора. С ростом частоты из-за уменьшения реактивных сопротивлений конденсаторов снижается модуль входного сопротивления, растет модуль входной проводимости и появляется фазовый сдвиг между входным напряжением и током. Уменьшение реактивного сопротивления конденсатора С_кбар с ростом частоты увеличивает модуль выходной проводимости, коэффициента обратной связи и проводимости обратной передачи. .Важнейшим частотным параметром транзистора, характеризующим его инерционные свойства, является граничная частота коэффициента передачи тока f_гp. Она определяется как частота, на которой модуль коэффициента передачи тока в схеме ОЭ равен единице. Если ток эмиттера скачком изменяется на малую величину ∆Iэ от постоянного значения Iэ₌ >> ∆Iэ (рисунок на обороте). Ток коллектора не может увеличиться мгновенно, он нарастает постепенно (см. рис.) Время задержки коллекторного тока τкэ как интервал времени между моментом нарастания эмиттерного тока и моментом времени, в который коллекторный ток увеличивается до уровня 0,5 установившегося значения, равного α∆Iэ (рис.). Граничная частота связана с этим временем задержки соотношением f_гр=1/(2π∙τкэ). Анализ показывает, что f_гр не зависит от сопротивления базы r`_Б. Наибольшую частоту, при которой транзистор способен генерировать колебания в схеме автогенератора, называют максимальной частотой генерации f_макс. Максимальная частота генерации связана с граничной частотой соотношением

Где К_у – предельный коэффициент усиления по напряжению, K_UГ – коэффициент усиления по напяжению, найденный графически. K_UA – коэффициент усиления по напряжению, найденный аналитически.

инжектируемых соответственно из областей р₁ и n₂. Полный ток, протекающий через переход П2, определяется токами инжекции этих носителей и собственным обратным током. Токи инжекции через переходы П1 и ПЗ в основном определяются малым прямым напряжением на них из-за большого сопротивления обратновключенного перехода П2. Режим прямой проводимости (2-3) соответствует включенному состоянию тиристора. Тиристор можно представить двумя эквивалентными транзисторами n-p-n- и p-n-p-типа, соединенными так, как показано на рисунке. Напряжение включения U_вкл соответствует ситуации, когда оба эквивалентных транзистора находятся в режиме насыщения. Участок (2-3) ВАХ определяется тремя последовательно соединенными прямовключенными p-n-переходами. Существует также режим обратного пробоя (4-5). Он начинается при напряжении на аноде, равном напряжению пробоя тиристора. На участке (1-2) ВАХ реализуется обратное дифференциальное сопротивление.

1. Работа в импульсном (ключевом) режиме.

Импульсный режим характерен для работы транзистора в цифровых логических и запоминающих схемах, широко используемых в ЭВМ и устройствах цифровой автоматики, в схемах генераторов, преобразователей импульсов и др. Для этих схем типичны переключение транзистора за короткое время из состояния с высоким коллекторным напряжением и малым током в состояние с малым напряжением и большим током (включение) и обратное переключение (выключение). При этом токи и напряжения в транзисторе изменяются в широких пределах, так что в большинстве случаев проявляется нелинейность его характеристик. Поэтому импульсный режим называют также режимом большого сигнала. Рассмотрим простейшую схему ключа, содержащую транзистор, включенный по схеме ОЭ, и резисторы R₁ и R₂ в базовой и коллекторной цепях. Если на вход подано постоянное отрицательное напряжение, то транзистор находится в режиме отсечки, ток коллектора, протекающий через резистор R₂, практически равен нулю, а напряжение на выходе равно напряжению источника питания Е_к, что соответствует закрытому состоянию ключа. Если же на входе действует высокое положительное напряжение Е_б1 , то в цепи базы транзистора течет ток, равный I_б1 = (Е_б1—U_бэ)/Rl, где Uбэ-прямое напряжение база — эмиттер. При этом в коллекторной цепи протекает ток Iк, создающий падение напряжения на резисторе R₂. Напряжение на выходе уменьшается на величину R₂I_к, что соответствует открытому состоянию ключа. Можно определить выходное напряжение в открытом состоянии, если построить выходную характеристику I_к(U_кэ) при I_б=I_б1, и провести нагрузочную линию соответствующую резистору R₂. Точка А лежит на крутом участке характеристики транзистора, соответствующем режиму насыщения. Тогда U_вых = U_кэнас, где U_кэнас —напряжение насыщения.

1. Параметры БП транзисторов.

Параметры транзисторов делятся на:

Электрические:

граничная частота f_гp при заданных напряжении U_кэ и токе эмиттера;

статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ h21_э при заданных напряжении U_кэ и токе Iэ;

обратные токи переходов I_кб0, I_эб0 при заданных обратных напряжениях соответственно U_кб и U_эб,

обратный ток коллекторного перехода I_К при заданных напряжении U_кэ и сопротивлении U_бэ резистора, включенного между базой и эмиттером

емкости переходов С_э, С_к при заданных обратных напряжениях (емкость Сэ часто приводится также при U_бэ=0).

Специфические:

Для усилительных и генераторных транзисторов - постоянная времени цепи обратной связи τк при заданных напряжении U_кб, токе I_э и частоте f, а также максимальная частота генерации fмакс при заданных напряжении U_кб и токе I_э.

коэффициент обратной связи |h12_б(f) |=2π/τ_к.

Для переключающих и импульсных транзисторов указываются напряжения в режиме насыщения U_бэнас и U_кэнас и время рассасывания t_рас при заданных токах I_кнас и I_б.

Для СВЧ-транзисторов - коэффициент усиления мощности К_р на заданной частоте, а также индуктивности и емкости выводов.

Эксплуатационные (максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности и температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значения его электрических параметров в пределах норм технических условий):

максимально допустимые обратные напряжения на переходах U_кбмакс, U_эбмакс;

максимально допустимое напряжение U_кэмакс в схеме ОЭ при заданном сопротивлении R_бэ внешнего резистора, подключенного между базой и эмиттером;

максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_макс;

максимально допустимый ток коллектора I_кмакс;

максимально допустимая температура корпуса Т_кмакс.

Диапазон рабочих температур.

1. Особенности транзисторов интегральных схем.

В полупроводниковой интегральной схеме (ИС) все элементы выполняются групповыми методами в тонком поверхностном слое полупроводниковой пластинки (кристалла ИС). Основными элементами являются транзисторы. Групповые методы создания предусматривают одновременное выполнение всех элементов и соединений между ними в едином технологическом цикле. Элементы ИС должны иметь сходные полупроводниковой структуры, существуют ИС на биполярных и полевых МДП транзисторах. Элементы ИС необходимо изолировать друг от друга. Применяют p-n-переходы, находящиеся под обратным напряжением, или тонкие слои SiO₂. В транзисторах ИС все контакты и выводы расположены на одной стороне кристалла. Степень интеграции – число элементов в ИС. Интегральные схемы – полупроводниковой прибор, составленный из большого кол-ва активных и пассивных элементов, в нем реализованы законченные схемы.

1. Диодное включение транзисторов.

Как известно, БП транзистор представляет из себя два взаимодействующих друг с другом p-n-перехода. Очевидно, что существует возможность диодного использования транзистора. Диодное включение транзисторов применяется в основном в ИС, так как создание отдельных диодов на транзисторных ИС технологически сложно. Диодное включение транзистора возможно несколькими способами. Можно использовать только эмиттерный переход, а вывод коллектора исключить. Такое включение обозначается (Б-Э). Можно замкнуть коллекторный вывод на вывод базы (включение БК-Э). Тогда свойства полученного прибора будут несколько отличны от свойств включения (Б-Э). Так, например, в силу разности эквивалентой емкости имеют место различные временные параметры приборов. (Б-Э) отличается от (БК-Э) меньшим быстродействием. Симметрично можно также образовать соединения (Б-К) и (БЭ-К). В рассмотренных выше способах включения используется только один из p-n-переходов транзистора. Причем необходимо отметить, что вследствие значительной разницы уровней легирования эмиттера и коллектора свойства полученных диодов будут сильно различны. Так, например, обратный ток коллекторного p-n-перехода намного больше обратного тока эмиттерного перехода. Возможно также одновременное использование обоих p-n-переходов. Такое включение обозначается (Б-ЭК).

1. Устройство ПТ с управляющим p-n-переходом, контактом Шоттки и МДП-транзисторов.

Рассмотрим устройство арсенид-галлиевого транзистора с управляющим переходом металл — полупроводник. Транзистор создается на подложке нелегированного арсенида галлия. Из-за большой ширины запрещенной зоны, равной 1,43 эВ, удельное сопротивление подложки велико (порядка 10⁷—10⁸ Ом∙см), и практически подложка представляет собой диэлектрик. У поверхности методом ионного легирования создаются области истока и стока n+ -типа, а также тонкий слой канала n-типа толщиной d0 ≈ 0,l5 мкм. Концентрация примесей в слое канала N_K=10¹⁷ см^-3. На поверхность наносится металлический электрод затвора, образующий выпрямляющий контакт со слоем. Металлические электроды стока и истока образуют омические контакты. Проводящий канал формируется между обедненным слоем контакта затвор — канал и подложкой. Его толщина равна d₀—L_об, где L_об — толщина обедненного слоя. Принцип действия транзистора заключается в том, что при изменении напряжения на затворе изменяется толщина обедненного слоя, а значит, толщина проводящей части канала, его проводимость и ток стока. Устройство транзистора с управляющим р-n-переходом. На подложке р-типа создается эпитаксиальный слой n-типа. Методом диффузии формируются области затвора р⁺-типа, истока и стока n+-типа, к которым создаются выводы. Каналом является слой n-типа, заключенный между областью затвора и подложкой. Области затвора и область подложки под ним образуют управляющий р-n-переход. При работе транзистора он должен быть включен в обратном направлении, что соответствует отрицательным напряжениям U_зи. Принцип действия такой же, как и для транзистора с управляющим переходом металл—полупроводник, и заключается в изменении толщины проводящей части канала и, следовательно, тока стока при изменении напряжения на затворе, влияющего на толщину обедненного слоя р-n-перехода затвор—канал. МДП-транзистор создается на слаболегированной кремниевой подложке р-типа с концентрацией акцепторов порядка 10¹⁵ см^-3. У поверхности подложки методами диффузии донорных примесей или ионного легирования сформированы сильнолегированные истоковая и стоковая области толщиной около 1 мкм; концентрация доноров в них превышает 10¹⁹ см^-3. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока, называемое длиной канала L, может составлять от десятых долей до нескольких микрометров. На поверхности полупроводника создан тонкий слой диэлектрика толщиной d_д ≈ 0,055 мкм, в качестве которого обычно используют диоксид кремния SiO₂. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод. В приповерхностный слой толщиной около 0,1 мкм методом ионного легирования вводят примеси, тип и концентрация которых определяют значение и знак порогового напряжения.

1. Параметры и характеристики полевых транзисторов.

Одним из основных параметров полевых транзисторов можно считать значение порогового напряжения. Пороговое напряжение – напряжение, при которой поверхностный потенциал равен φ_пор. При малой концентрации примесей в подложке пороговое напряжение под влиянием поверхностного заряда может уменьшиться до нуля или даже стать отрицательным, т. е. получится транзистор со встроенным каналом. Повысить пороговое напряжение можно, повысив концентрацию примесей в подложке, но тогда увеличатся емкости истокового и стокового переходов. Для оценки степени влияния напряжения подложка — исток на пороговое напряжение вводят коэффициент влияния подложки _. Коэффициент влияния подложки тем ниже, чем меньше толщина подзатворного диэлектрика и концентрация примесей.

Крутизна стокозатворной характеристики. S=K(U_зи-U_пор). Для повышения крутизны необходимо уменьшить толщину подзатворного диэлектрика и длину канала, а также увеличить подвижность электронов в канале и его ширину.

Внутреннее сопротивление тем больше, чем выше напряжение стока. При напряжении на стоке, равном нулю, наименьшее значение _.

где S — крутизна в пологой области характеристики.

Коэффициент усиления по напряжению.

Напряжение пробоя стокового перехода ограничивает максимально допустимое напряжение на стоке. Напряжение пробоя зависит от напряжения на затворе.

Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика ограничивает максимальное напряжение на затворе. Оно определяется материалом и толщиной диэлектрика.

Емкости транзистора. Емкость затвор — канал определяется толщиной подзатворного диэлектрика и размерами канала . Емкости перекрытия образуются между затвором и истоком, а также между затвором и стоком _. Емкость затвор — подложка Сзп—это емкость МДП-структуры, имеющей вольт-фарадную характеристику типа. Для снижения емкости Сзп в закрытом транзисторе надо уменьшать концентрацию примесей в подложке.

Барьерные емкости истокового Сип и стокового Ссп переходов определяются площадями переходов и концентрацией примесей в подложке.

Параметры также зависят от температуры, поэтому при U=const на его электродах ток стока в интервале рабочих температур не постоянен.

1. Эквивалентные схемы и в.ч. свойства полевых транзисторов.

Схема транзистора, включенного с общим истоком, подложка соединена с истоком. (рис) Конечность времени пролета элементов от истока до стока t_пр отражена комплексной крутизной , где fs-предельная частота крутизны fs=1/2πt_пр. В усилительных схемах рабочая точка должна располагаться в пологой области характеристик. Для этой области путь, проходимый электронами, равен сумме длины канала L’ и длины ∆L области перекрытия. Время пролета tпр можно представить в виде суммы tпрк+tпрпер. Средняя дрейфовая скорость предельная частота тем выше, чем меньше длина канала, больше подвижность электронов в канале и выше напряжение затвора. С ростом частоты f модуль крутизны уменьшается, то снижается и коэффициент усиления Кu. Введем граничную частоту fгp, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен единице. fгр=S/2πCвых; Свых=С_сп+С_н, где С_сп-барьерная емкость стокового перехода. Нагрузочный конденсатор сильно меняет граничную частоту. Емкость затвор-сток С_зс сильно увеличивает входную емкость усилителя. При конечном внутреннем сопротивлении генератора входного сигнала ток, протекающий через конденсатор обратной связи, создает дополнительное напряжение затвора, те возникает обратная связь по напряжению. На ВЧ она может быть положительной.